Máquinas de Corrente Contínua: Tipos e Aplicações dos Motores CC

Máquinas de Corrente Contínua Motores CC Prof Marcel Parentoni ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Tópicos Tipos de Motores Motor de excitação independente Motor em derivação shunt Motor de imã permanente Motor série Motor composto compound Comparativos Partida de Motores CC Sistemas de Controle Tipos de Motores CC Haviam diversas razões da popularidade contínua dos motores CC Uma delas era que os sistemas de potência CC foram e ainda são comuns em carros tratores e aeronaves Quando um veículo já dispõe de um sistema elétrico CC faz sentido considerar o uso de motores CC Outra aplicação dos motores CC era nos casos em que havia necessidade de uma ampla faixa de velocidades Antes do uso generalizado de retificadores e inversores baseados em eletrônica de potência os motores CC eram insuperáveis em aplicações de controle de velocidade Mesmo quando não havia fontes CC de potência circuitos retificadores e outros de estado sólido eram usados para criar a potência elétrica CC necessária e os motores CC eram usados para propiciar o controle de velocidade desejado Atualmente no lugar dos motores CC a escolha preferida para a maioria das aplicações de controle de velocidade é o motor de injeção com unidades de acionamento de estado sólido Entretanto ainda há algumas aplicações em que os motores CC são os preferidos FIGURA 81 Motores CC primitivos a Um dos primeiros motores CC o qual foi construído por Elihu Thomson em 1886 Sua potência nominal era de 12 HP Cortesia de General Electric Company b Um motor CC maior de quatro polos construído em torno de 1900 Observe a alavanca para deslocar as escovas do plano neutro Cortesia de General Electric Company Circuito Elétrico Equivalente Geral Gerador vs Motor Características Terminais e Curva de Magnetização Características terminais Características Terminais e Curva de Magnetização 𝑃 2𝜋 60 𝑀𝑛 Características terminais 𝑃 τ𝑒𝑖𝑥𝑜 ω𝑒𝑖𝑥𝑜 Fluxo de Potências Motor de excitação independente e em derivação shunt Circuito Elétrico Equivalente Do PC Sen VT EA IA RA ωm fracVTKφ fracRAKφ2 auind Controle da Velocidade Controle por Tensão de Armadura Controle por Corrente de Campo Controle por Resistência de Armadura Controle por Tensão de Armadura Controle por Tensão de Armadura Controle por Corrente de Campo Controle por Corrente de Campo Controle por Resistência de Armadura Controle por Resistência de Armadura Alteração da inclinação da curva velocidade versus torque diferentemente do controle por tensão de armadura Controle da Velocidade por Tensão de Armadura e Corrente de Campo Limitações de Potência e Conjugado Comportamento Mecânico Potência Mecânica vs Potência Elétrica Exemplo 81 Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm com enrolamentos de compensação tem uma resistência de armadura incluindo as escovas os enrolamentos de compensação e os interpostos de 006 Ω Seu circuito de campo tem uma resistência total de Raj RF de 50 Ω produzindo uma velocidade a vázio de 1200 rpm Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação veja a Figura 87 a Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 100 A b Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 200 A c Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 300 A d Plote a característica de conjugado versus velocidade do motor EXEMPLO 81 Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm com enrolamentos de compensação tem uma resistência de armadura incluindo as escovas os enrolamentos de compensação e os interpostos de 006 Ω Seu circuito de campo tem uma resistência total de Raj RF de 50 Ω produzindo uma velocidade a vazio de 1200 rpm Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação veja a Figura 87 a Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 100 A b Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 200 A c Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 300 A d Plote a característica de conjugado versus velocidade do motor EXEMPLO 81 Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm com enrolamentos de compensação tem uma resistência de armadura incluindo as escovas os enrolamentos de compensação e os interpostos de 006 Ω Seu circuito de campo tem uma resistência total de Raj RF de 50 Ω produzindo uma velocidade a vazio de 1200 rpm Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação veja a Figura 87 b Se IL 200 A IA 200 A 250 V 50 Ω 195 A EA VT IARA 250 V 195 A006 Ω 2383 V nm2 EA2 EA1 nm1 2383 V 250 V 1200 rpm 1144 rpm c Se IL 300 A IA IL IF IL VT RF 300 A 250 V 50 Ω 295 A EA VT IARA 250 V 295 A006 Ω 2323 V EXEMPLO 81 Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm com enrolamentos de compensação tem uma resistência de armadura incluindo as escovas os enrolamentos de compensação e os interpostos de 006 Ω Seu circuito de campo tem uma resistência total de Raj RF de 50 Ω produzindo uma velocidade a vazio de 1200 rpm Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação veja a Figura 87 a Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 100 A b Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 200 A c Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 300 A d Plote a característica de conjugado versus velocidade do motor EXEMPLO 81 Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm com enrolamentos de compensação tem uma resistência de armadura incluindo as escovas os enrolamentos de compensação e os interpos de 006 Ω Seu circuito de campo tem uma resistência total de Raj RF de 50 Ω produzindo uma velocidade a vazios de 1200 rpm Há 1200 espiras por polo no enrolamento do campo em derivação veja a Figura 87 a Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 100 A b Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 200 A c Encontre a velocidade desse motor quando a corrente de entrada é 300 A d Plote a característica de conjugado versus velocidade do motor EXEMPLO 83 A Figura 817a mostra um motor CC em derivação de 100 HP 250 V e 1200 rpm com uma resistência de armadura de 003 Ω e uma resistência de campo de 4167 Ω O motor tem enrolamentos de compensação de modo que a reação de armadura pode ser ignorada Podese assumir que as perdas mecânicas e no núcleo são desprezíveis para os propósitos deste problema Assumese que o motor está acionando uma carga com uma corrente de linha de 126 A e uma velocidade inicial de 1103 rpm Para simplificar o problema assume que a corrente de armadura do motor permanece constante a Se a curva de magnetização da máquina for a mostrada na Figura 89 qual será a velocidade do motor se a resistência de campo for elevada para 50 Ω b Calcule e plote a velocidade desse motor em função da resistência de campo RF assumindo uma carga de corrente constante EXEMPLO 83 A Figura 817a mostra um motor CC em derivação de 100 HP 250 V e 1200 rpm com uma resistência de armadura de 003 Ω e uma resistência de campo de 4167 Ω O motor tem enrolamentos de compensação de modo que a reação de armadura pode ser ignorada Podese assumir que as perdas mecânicas e no núcleo são desprezíveis para os propósitos deste problema Assumese que o motor está acionando uma carga com uma corrente de linha de 126 A e uma velocidade inicial de 1103 rpm Para simplificar o problema assume que a corrente de armadura do motor permanece constante a Se a curva de magnetização da máquina for a mostrada na Figura 89 qual será a velocida de do motor se a resistência de campo for elevada para 50 Ω b Calcule a velocidade desse motor dado que VT 250 V 250 V RA 003 Ω IA 120 A E EA1 2464 V IF RF 5 A Exemplo EXEMPLO 83 A Figura 817a mostra um motor CC em derivação de 100 HP 250 V e 1200 rpm com uma resistência de armadura de 003 Ω e uma resistência de campo de 4167 Ω O motor tem enrolamentos de compensação de modo que a reação de armadura pode ser ignorada Podese assumir que as perdas mecânicas e no núcleo são desprezíveis para os propósitos deste problema Assumese que o motor está acionando uma carga com uma corrente de linha de 126 A e uma velocidade inicial de 1103 rpm Para simplificar o problema assume que a corrente de armadura do motor permanece constante a Se a curva de magnetização da máquina for a mostrada na Figura 89 qual será a velocidade do motor se a resistência de campo for elevada para 50 Ω b Calcule e plote a velocidade desse motor em função da resistência de campo RF assumindo uma carga de corrente constante EXEMPLO 84 Agora o motor do Exemplo 83 foi conectado na forma de excitação independente como está mostrado na Figura 817b Inicialmente o motor opera com VA 250 V IA 120 A e n 1103 rpm e aciona uma carga de conjugado constante Qual será a velocidade desse motor se a tensão VA for reduzida para 200 V EXEMPLO 84 Agora o motor do Exemplo 83 foi conectado na forma de excitação independente como está mostrado na Figura 817b Inicialmente o motor opera com VA 250 V IA 120 A e n 1103 rpm e aciona uma carga de conjugado constante Qual será a velocidade desse motor se a tensão VA for reduzida para 200 V EA VT IA RA 250 V 120 A003 Ω 2464 V EA2 fracKφ2 nm2Kφ1 nm1 fracnm2nm1 nm2 fracEA2EA1 nm1 VT IA RA 200 V 120 A003 Ω 1964 V fracEA2EA1 nm1 frac1964 V2464 V 1103 rpm 879 rpm Pergunta Considere inicialmente um motor CC shunt operando sob condições nominais Seu circuito de campo está alimentado através de um reostato para controle da corrente de campo O que aconteceria com a máquina caso o reostato fosse completamente curtocircuitado O que aconteceria com a máquina caso o reostato fosse queimado e causasse uma abertura no circuito de campo Motor de imã permanente Motor CC de Imã Permanente PMDC Motor Motor CC de Imã Permanente PMDC Motor ou Motor CC de Imã Permanente PMDC Motor Circuito magnético equivalente Circuito Elétrico Equivalente Ea Km ωm Km Ka Φd constante de conjugado do motor Tmec fracEa Iaωm Km Ia Motor CC de Imã Permanente PMDC Motor Custo Menor Tamanho Menor Eficiência Maior Potência Em geral são motores de baixa potência até 10 HP Problemas Magnitude do Campo Magnético Desmagnetização Exemplo 711 Saibase que um motor CC de ímã permanente tem uma resistência de armadura de 103 Ω Quando está operando a vazio com uma fonte CC de 50 V observase que à velocidade de funcionamento é de 2100 rpm e a corrente é de 125 A Encontre a a constante de conjugado Km b as perdas rotacionais a vazio do motor e c a potência de saída do motor quando está operando a 1700 rpm a partir de uma fonte de 48 V Solução a Ea Vt Ia Ra 50 125 103 487 V ωm 2100 rotações min 2π rad rotação 1 min 60 s 220 rads Km fracEaωm frac487220 022 Vrads b A vazio toda a potência fornecida para a tensão gerada Ea é usada para alimentar as perdas rotacionais Portanto perdas rotacionais Ea 487 125 61 W Exemplo 711 Sabemos que um motor CC de ímã permanente tem uma resistência de armadura de 103 Ω Quando está operando a vazio com uma fonte CC de 50 V observase que a velocidade de funcionamento é de 2100 rpm e a corrente é de 125 A Encontre a a constante de conjugado Km b as perdas rotacionais a vazio do motor e c a potência de saída do motor quando está operando a 1700 rpm a partir de uma fonte de 48 V Motor série Circuito Elétrico Equivalente IA RA RS LS IS IL E A VT IA IS IL VT EA IA RA RS τind KφIA φ cIA τind KφIA KcIA² VT EA IARA RS IA τindKC VT Kφωm τindKCRA RS ωm VTKC τind RA RSKC Controle da Velocidade ωm VTKC 1τind RA RSKC Controle da Velocidade Controle por Tensão de Armadura Única opção viável Controle por Resistência Série Não Diminuiria a eficiência Controle da Velocidade Controle por Resistência Série Efeito seria similar ao da variação da tensão Porém com desvantagens Reostato que suporte a corrente de armadura Aumenta a ineficiência EXAMPLE 49 A 220 V 7 hp series motor is mechanically coupled to a fan and draws 25 amps and runs at 300 rpm when connected to a 220 V supply with no external resistance connected to the armature circuit ie Rae 0 The torque required by the fan is proportional to the square of the speed Ra 06 Ω and Rsr 04 Ω Neglect armature reaction and rotational loss a Determine the power delivered to the fan and the torque developed by the machine b The speed is to be reduced to 200 rpm by inserting a resistance Rae in the armature circuit Determine the value of this resistance and the power delivered to the fan A 220 V 7 hp series motor is mechanically coupled to a fan and draws 25 amps and runs at 300 rpm when connected to a 220 V supply with no external resistance connected to the armature circuit ie R ae 0 The torque required by the fan is proportional to the square of the speed R a 06 Ω and R sr 04 Ω Neglect armature reaction and rotational loss a Determine the power delivered to the fan and the torque developed by the machine b The speed is to be reduced to 200 rpm by inserting a resistance R ae in the armature circuit Determine the value of this resistance and the power delivered to the fan b T K sr I a 2 1552 K sr 25 2 K sr 0248 a Determine the power delivered to the fan and the torque developed by the machine b The speed is to be reduced to 200 rpm by inserting a resistance R ae in the armature circuit Determine the value of this resistance and the power delivered to the fan E a K sr I a ω m 0248 1668 20060 8657 V R ae 7 Ω P E a I a 8657 1668 1444 W 194 hp Motor composto compoud Circuito Elétrico Equivalente Características Terminais Controle da Velocidade Comparativos Características Terminais Circuitos Elétricos Equivalentes Características Terminais Partida de Motores CC Comportamento na Partida 𝐸𝐴 0 𝐼𝐴 𝑉𝑇 𝐸𝐴 𝑅𝐴 ω𝑛 0 Resistência de Armadura valores pequenos Comportamento na Partida 𝐸𝐴 0 𝐼𝐴 𝑉𝑇 𝐸𝐴 𝑅𝐴 ω𝑛 0 Resistência de Armadura valores pequenos Como resolver os problemas Podem ser resolvidos com circuitos de comando e proteção lançando mão da inserção de resistências de partida em série com a armadura Podem ser desenvolvidos sistemas dinâmicos eou estáticos para realizar esse tipo de acionamento garantindo tanto a proteção quanto o controle de velocidade Inserção de Resistência de Partida Circuito para partida de um motor CC Comportamento da corrente durante a partida Sistemas de Controlle O Sistema WardLeonard Controle da velocidade pela tensão de armadura aplicada ao Motor CC através da variação da corrente de campo do Gerador CC Ohms por Volts Controle grosseiro para controle suave Variação suave e controle total de velocidade Velocidade pode ser ajustada para valores maiores do que os nominais através da redução de corrente de campo do motor Se a corrente de campo do Gerador CC for invertida inverte sentido de rotação do Motor CC Se for introduzida potência mecânica no eixo do Motor CC esse sistema permite a regeneração devolvendo energia elétrica O Sistema WardLeonard De Quadrante 1 para Quadrante 3 invertendo a corrente de campo do Gerador CC inverterá a tensão de armadura do Motor CC Se a corrente de campo do Motor CC não for alterada tanto o conjugado quanto a velocidade serão invertidos Configurando assim novamente operação como motor Se alterar o sentido de rotação mantendo o conjugado Máquina opera como gerador Quadrante 4 Se alterar o conjugado mantendo o sentido de rotação Máquina opera como gerador Quadrante 2 O Sistema WardLeonard De Quadrante 1 para Quadrante 3 invertendo a corrente de campo do Gerador CC inverterá a tensão de armadura do Motor CC Se a corrente de campo do Motor CC não for alterada tanto o conjugado quanto a velocidade serão invertidos Configurando assim novamente operação como motor Se alterar o sentido de rotação mantendo o conjugado Máquina opera como gerador Quadrante 4 Se alterar o conjugado mantendo o sentido de rotação Máquina opera como gerador Quadrante 2 Pelo fato de se utilizar 3 máquinas ao invés de uma as óbvias desvantagens são o custo elevado e a diminuição da eficiência em todo o processo Com o advento da eletrônica de potência esse tipo de sistema pôde ser substituído por sistemas de controle estático tiristorizados Exemplos de Sistemas Baseados em Controladores de Estado Sólido Exemplos de Sistemas Baseados em Controladores de Estado Sólido Referências CHAPMAN Stephen J Fundamentos de máquinas elétricas AMGH Editora 2013 PC Sen Principles of Electrical Machines and Power Electronic Second Edition 1997 Umans Stephen D Máquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 edição 2014 76