Motores CC - Tipos e Partida - Força ContraEletromotriz

Máquinas Elétricas II Semestre 012022 Prof Bernardo Seelig Tipos de Motores de Corrente Contínua Shunt Série Autoexcitadas shunt curto Excitação composta shunt longo Excitação Independente Il IL IF IA VE Ec Ra Rf shunt série Rs ILIa EXCITAÇÃO COMPOSTA SHUNT CURTO EXCITAÇÃO COMPOSTA SHUNT LONGO VE Rs IL ISIa Rf IF IA Ec Ra Nos motores de excitação composta dizemos que a máquina é um motor de excitação composta aditiva quando o campo shunt e o campo série se reforçam Quando esses campos se opõem o motor é de excitação composta subtrativa Existem ainda os motores de excitação independente nos quais o induzido armadura é alimentado por uma linha de tensão constante e o circuito de excitação por outra fonte de corrente contínua qualquer Partida de Motores de Corrente Contínua Força ContraEletromotriz Sempre que o induzido de uma máquina gira em um campo magnético são produzidas fem induzidas Este é o caso do funcionamento normal de um gerador No caso de um motor o induzido entra em movimento como consequência imediata da tensão que lhe é aplicada e pela mesma razão anterior gera uma fem que tem sentido oposto à tensão aplicada nos terminais do motor sendo por isso designada de força contra eletromotriz fcem Podese dizer que a fcem de um motor é a fem da máquina quando funciona como gerador Seu valor é Ec K N onde Ec força contraeletromotriz K constante relacionada com características construtivas da máquina fluxo magnético N velocidade de rotação A fcem têm como consequência diminuir a valor da intensidade da corrente absorvida pelo motor A tensão aplicada aos terminais do motor é dada pela seguinte equação 𝑉𝑙 𝐸𝑐 𝑅𝑎 𝐼𝑎 sendo que 𝑉𝑙 𝐸𝑐 onde 𝑉𝑙 tensão aplicada nos terminais do motor Ec fcem gerada na armadura do motor 𝑅𝑎 𝐼𝑎 queda de tensão na armadura devido à circulação de corrente Exemplo A armadura de um motor de corrente contínua tem uma resistência de 025 e quando ligada a um barramento cc de 125 V solicita do mesmo uma corrente de 60 A Calcular a fcem gerada nos condutores da armadura do motor Solução 𝐸𝑐 𝑉𝑙 𝑅𝑎 𝐼𝑎 125 025 60 𝐸𝑐 110 𝑉 Exemplo Um motor cc shunt de 120 V possui uma resistência da armadura de 02 e uma queda de tensão no contato das escovas de 2 V A corrente nominal à plena carga é de 75 A Calcule a corrente no instante da partida e o seu percentual em relação à situação nominal Solução Vl Ec Ra Ia BD 0 BD brush drop queda de tensão nas escovas Na partida Ec 0 logo 120 0 02 Ip 2 0 Ip 120 2 02 590 A 75 A 100 590 A x X 786 na medida em que o motor ganha velocidade a fcem aumenta e a corrente cai A falta da fcem na partida faz com que a corrente se eleve nesta situação I Vl Ec BD Ra Vl Ec BD Ra Para limitar a corrente na partida podese fazer uso de um reostato contínuo ou com taps derivações com valores fixos em série com a armadura A equação fica I Vl Ec BD Ra Rp Observase que o valor da resistência de partida requerida decai à medida em que o motor ganha velocidade Têmse então os seguintes circuitos VE ILISIA série Rs reostato de partida variável VE ILIS IF IA EXCITAÇÃO COMPOSTA shunt curto Rs Rf IF Ia Ec Ra reostato de partida variavel VE IL IF ISIA Rs EXCITAÇÃO COMPOSTA shunt longo Rf Ec Ra Exemplo Calcule os vários valores dos taps de uma resistência de partida para limitar a corrente do motor do exemplo anterior considerando a uma corrente 150 superior na partida ao valor nominal b uma fcem de 25 do valor da tensão da armadura Va com uma corrente de 150 do valor nominal c uma fcem de 50 do valor da tensão da armadura com uma corrente de 150 do valor nominal d calcule a fcem a plena carga sem resistência de partida Solução Rp Vl Ec BD Ia Ra a Rp 12002 1575 02 085 b Rp 120302 1575 02 0582 c Rp 120602 1575 02 0316 d Vl Ec Ra Ia BD 0 Ec Vl Ra Ia BD 120 02 75 2 Ec 103 V Os motores shunt e composto têm sua partida efetuada com excitação plena de campo a tensão de alimentação é aplicada no circuito de campo para desenvolver o torque máximo na partida T k Ia onde T torque ou conjugado C k constante que depende da construção do motor fluxo por polo Ia corrente da armadura k Z p 60 a onde Z número total de condutores da armadura p número de polos a número de circuitos em paralelo na armadura T k Ia 𝐸𝑐𝐼𝑎 𝑤 torque eletromagnético Torque eletromagnético é diferente do torque disponível no eixo 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝐶 2 𝜋 𝑁 60 N velocidade em rpm 1 cv 7354987 W 1 HP 7456999 W Características do Conjugado Eletromagnético dos Motores de Corrente Contínua Será estudado o efeito do aumento de carga sobre o torque desenvolvido pelos motores de corrente contínua O torque eletromagnético é dado por 𝑇𝑒𝑚 𝐸𝑐 𝐼𝑎 𝑤 𝑘 𝐼𝑎 Para os motores shunt temos Quando a carga aumenta observamos que Il aumenta 𝑃𝑙 𝑉𝑙 𝐼𝑙 If e consequentemente permanecem constantes Ia aumenta Se Tem k Ia e permanece constante podemos escrever Tem k Ia k k Logo quando a carga aumenta Ia aumenta e em consequência o torque eletromagnético desenvolvido pelo motor cc shunt também aumenta é o efeito do aumento de carga sobre o torque desenvolvido pelo motor cc shunt Para os motores série temos Quando a carga aumenta observamos que Il Is Ia também aumenta Pl Vl Il O fluxo é proporcional à corrente da armadura pois a corrente da armadura Ia e a corrente de campo Is são iguais Se Tem k Ia e é proporcional à corrente da armadura podemos escrever Tem k Ia 2 k1 Ia Tem k k1 Ia Ia k k1 k Logo quando a carga aumenta Ia aumenta e em consequência o torque eletromagnético desenvolvido pelo motor cc série também aumenta é o efeito do aumento de carga sobre o torque desenvolvido pelo motor cc série Para os motores compostos temos Tem k Ia para os motores compostos cumulativos 𝑓 𝑠 e para os motores compostos subtrativos 𝑓 𝑠 logo Tem k 𝑓 𝑠 Ia motor composto cumulativo Tem k 𝑓 𝑠 Ia motor composto diferencial onde 𝑓 é o fluxo produzido pelo campo shunt 𝑠 é o fluxo produzido pelo campo série A corrente do campo shunt e consequentemente o fluxo 𝑓 são essencialmente constantes A corrente do campo série é função da corrente de carga Il solicitada pela armadura O motor composto cumulativo produz uma curva de torque com valores mais elevados que o motor shunt para a mesma corrente de campo O motor composto diferencial produz uma curva de torque menor que a do motor shunt Têmse então as seguintes curvas Kosow Tem k Ia motor shunt Tem k Ia 2 motor série Característica Conjugado x Velocidade dos Motores de Corrente Contínua Temos que Ec k N N Ec k Para o motor shunt Ec Vl Ra Ia Então 𝑁 𝐸𝑐 𝑘 𝑉𝑙𝑅𝑎𝐼𝑎 𝑘 No motor cc shunt quando a carga aumenta temos que 𝐼𝑎 enquanto que o fluxo permanece constante Logo 𝐸𝑐 e 𝑁 No motor shunt conforme visto anteriormente quando a carga aumenta o torque desenvolvido também aumenta Para o motor série Ec Vl 𝑅𝑎 𝑅𝑠 Ia Então 𝑁 𝐸𝑐 𝑘 Vl 𝑅𝑎𝑅𝑠 Ia 𝑘 O fluxo no entreferro é proporcional à corrente da armadura Podemos escrever N k Vl RaRs Ia Ia k2 Ia N Vl 𝑅𝑎𝑅𝑠 Ia 𝑘 𝑘2𝐼𝑎 1 𝑘 𝑘2 𝑘 Para uma carga mecânica pequena a corrente Ia é pequena o numerador é grande e o denominador é pequeno Logo a velocidade é elevada motor série Sem carga e consequentemente com pequena corrente na armadura e pequeno fluxo polar a velocidade é excessivamente elevada Por esse motivo o motor série é sempre operado com uma carga N k Vl RaRs Ia Ia Aumentandose a carga o numerador da fração diminui mais rapidamente do que aumenta o denominador o numerador decresce na razão do produto de Ia o denominador aumenta diretamente com Ia e a velocidade do motor série cai rapidamente Para o motor composto cumulativo podemos escrever 𝑁 𝑘 Vl Ra Rs Ia 𝑓 𝑠 𝑘 𝐸𝑐 𝑓 𝑠 𝐸𝑐 Vl Ra Rs Ia Com o aumento da carga e da corrente da armadura o fluxo produzido pelo campo série aumenta e a fcem Ec decai logo na equação de velocidade acima o denominador cresce e o numerador decresce proporcionalmente mais do que no motor shunt Logo com a aplicação de carga a velocidade de um motor composto cumulativo cairá numa razão mais elevada do que a velocidade de um motor shunt Para o motor composto diferencial podemos escrever 𝑁 𝑘 Vl Ra Rs Ia 𝑓 𝑠 𝑘 𝐸𝑐 𝑓 𝑠 𝐸𝑐 Vl Ra Rs Ia Com o aumento da carga e da corrente da armadura o numerador e o denominador da equação de velocidade acima decrescem mas o denominador decresce mais rapidamente Logo com o aumento da carga a velocidade aumenta Este comportamento do motor composto diferencial é diferente do comportamento visto nos casos anteriores Com o aumento da velocidade a maioria das cargas mecânicas aumenta automaticamente P C w o que causa um aumento nas correntes Il e Iaum decréscimo no fluxo total e uma velocidade mais elevada produzindose mais carga Esta condição estabelece uma instabilidade por esse motivo os motores compostos diferenciais raramente são usados Pode inclusive acontecer do fluxo produzido pelo campo série aumentar muito e ficar maior que o fluxo produzido pelo campo shunt o que inverterá o sentido de rotação do motor 𝑁 𝑘 Vl Ra Rs Ia 𝑓 𝑠 Têmse então as seguintes curvas Kosow