Máquinas Elétricas. Máquinas CC Parte IV

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1 Máquinas Elétricas Máquinas CC Parte IV

2 Máquina CC eficiência

3 Máquina CC perdas elétricas (perdas por efeito Joule)

4 Máquina CC perdas nas escovas

5 Máquina CC outras perdas a considerar

6 Máquina CC considerações Conforme já deduzido, o conjugado eletromagnético e a tensão gerada de uma máquina CC são, respectivamente: E A PZ 2 m a I A Deve ser destacado que estas equações focam na descrição em regime permanente. PZ a m 2 m

7 Máquina CC considerações PZ 2 m a I A E A PZ a m 2 m O termo E A I A é, frequentemente, chamada potência eletromagnética. Assim, o conjugado eletromagnético pode ser reescrito na forma: E A I A m

8 Máquina CC diagrama de fluxo de potência

9 Máquina CC diagrama de fluxo de potência

10 Motores CC regulação de velocidade Uma forma de compararmos motores CC é a regulação de velocidade que é uma medida rudimentar da forma da curva característica do conjugado versus velocidade do motor. Temos: Nesta equações, vz indica parâmetros obtidos a vazio (sem carga) e pc indica parâmetros obtidos a plena carga. Uma regulação de velocidade positiva significa que a velocidade do motor cai com o aumento de carga. Uma regulação de velocidade negativa significa que a velocidade do motor sobe com o aumento da carga.

11 Motores CC circuito elétrico equivalente

12 Motores CC circuito elétrico equivalente

13 Motores CC curva magnetização

14 Motores CC motores de excitação independente e em derivação Um motor CC de excitação independente é um motor cujo circuito de campo é alimentado a partir de uma fonte isolada de tensão constante.

15 Motores CC motores de excitação independente e em derivação Um motor CC em derivação (shunt ou paralelo) é um motor cujo circuito de campo é alimentado diretamente dos terminais de armadura do próprio motor.

16 Motores CC motores de excitação independente e em derivação Quando a tensão da fonte de alimentação do motor é constante, não há nenhuma diferença de comportamento entre estes dois tipos de máquina.

17 Característica de terminal de um motor CC em derivação A característica de terminal é um gráfico que envolve as grandezas de saída da máquina. No caso de um motor, estas grandezas de saída são o conjugado no eixo e a velocidade.

18 Motor: o que ocorre se houver aumento na carga?

19 Característica de terminal de um motor CC em derivação

20 Característica de terminal de um motor CC em derivação

21 Característica de terminal de um motor CC em derivação

22 Característica de terminal de um motor CC em derivação Para que a velocidade do motor possa variar linearmente com o conjugado, os demais parâmetros da expressão deverão ser constantes quando a carga variar. Assim, a tensão no terminal, fornecida pela fonte, é suposta constante.

23 Característica de terminal de um motor CC em derivação Outro fator que pode afetar esta relação linear é a reação de armadura. Se o motor apresentar reação de armadura, então, os efeitos de enfraquecimento de fluxo reduzirão o fluxo principal da máquina (campo) quando a carga aumentar. Pela equação destacada acima, podemos inferir que qualquer diminuição de fluxo provocará aumento na velocidade do motor (comparando-se à condição em que não consideramos a existência de reação de armadura).

24 Característica de terminal de um motor CC em derivação Havendo enrolamentos de compensação em um motor CC em derivação, de modo que seu fluxo seja constante independentemente da carga e se a velocidade e a corrente de armadura do motor forem conhecidas para algum valor de carga, então, sua velocidade poderá ser calculada para qualquer outro valor de carga se a corrente de armadura for conhecida ou possa ser determinada. E A PZ a m 2 m

25 Motores CC - exemplo

26 Motores CC - exemplo

27 Motores CC - exemplo

28 Motores CC - exemplo

29 Motores CC - exemplo

30 Motores CC - exemplo

31 Motores CC análise não linear

32 Motores CC análise não linear O fluxo φ e, consequentemente, a tensão interna gerada E A de uma máquina CC é uma função não linear de sua força magnetomotriz. Analiticamente, não é possível calcular as alterações de E A, porém, podemos utilizar a curva de magnetização para determinar, com certa precisão, seu valor. Se uma máquina apresentar reação de armadura, seu fluxo será reduzido a cada aumento de carga. Em um motor CC em derivação, a força magnetomotriz total é a força magnetomotriz do circuito de campo menos a força magnetomotriz originária da reação de armadura (RA):

33 Motores CC análise não linear Como as curvas de magnetização são expressas como gráficos E A versus corrente de campo, costuma-se definir uma corrente de campo equivalente, que produz a mesma tensão de saída que a combinação de todas as forças magnetomotrizes da máquina. Localizando-se a corrente de campo equivalente na curva de magnetização, então, podemos determinar a tensão resultante E A. A corrente de campo equivalente de um motor CC é dada por:

34 Motores CC análise não linear As curvas de magnetização de uma máquina são plotadas para uma dada velocidade em particular, usualmente, para a velocidade nominal. Quando a velocidade é expressa em rotações por minuto, a equação da tensão induzida em uma máquina CC será: Para uma dada corrente de campo efetiva, o fluxo em uma máquina é fixo. Assim, a tensão interna gerada relaciona-se com a velocidade através de: Nesta equação, E A0 e n 0 representam valores de referência de tensão e velocidade, respectivamente.

35 Motores CC exemplo

36 Motores CC exemplo

37 Motores CC controle de velocidade Os dois modos mais comuns de se controlar a velocidade de um motor CC em derivação são: Ajuste da resistência de campo R F (e, consequentemente, do fluxo). Ajuste da tensão de terminal aplicada à armadura. Um método menos comum é: inserir um resistor em série com o circuito de armadura.

38 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo

39 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo

40 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo

41 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo No controle por resistência de campo, quanto mais baixa for a corrente de campo de um motor CC em derivação (ou de excitação independente), maior sua velocidade. Como um aumento na corrente de campo causa uma diminuição de velocidade, sempre haverá uma velocidade mínima que pode ser atingida pelo controle de circuito de campo. Essa mínima velocidade ocorre quando a corrente máxima permitida está circulando no circuito de campo de motor.

42 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo Se o motor estiver operando com uma tensão de terminal, potência e corrente de campo nominais, então, ele estará funcionando na velocidade nominal (velocidade de base). O controle por resistência de campo pode controlar a velocidade do motor para velocidades acima da velocidade de base. Para conseguir uma velocidade menor do que a velocidade de base controlando o circuito de campo, seria necessária uma corrente de campo excessiva que pode, ocasionalmente, provocar danos nos enrolamentos de campo.

43 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo Z a P 2 m I A V R T A n 2 K a K a ind E A PZ a m 2 m Neste caso, o aumento de velocidade está associado à diminuição de fluxo da máquina. Esta diminuição do fluxo, para que o limite de corrente de armadura não seja excedido, o limite de conjugado induzido deve diminuir à medida que a velocidade do motor aumenta. Como a potência fornecida pelo motor é dada por V T E P A e o limite do conjugado diminui quando a velocidade do motor aumenta, então, a potência máxima fornecida por um motor CC controlado por corrente de campo é constante, ao passo que o conjugado máximo varia conforme o inverso da velocidade do motor. I A R A

44 Motores CC controle de velocidade alteração da resistência de campo

45 Motores CC controle de velocidade variação da tensão de armadura max, max 2 A a A a I K I m P Z m a A m PZ E 2 ind a A a T n K R K V 2 A A A T R I E V

46 Motores CC controle de velocidade variação da tensão de armadura Quanto menor for a tensão de armadura em um motor CC de alimentação independente, mais lentamente ele irá girar. Por outro lado, quanto maior for a tensão de armadura, mais rapidamente ele irá girar. Como um aumento de tensão de armadura causa um aumento de velocidade, sempre haverá uma velocidade máxima que pode ser alcançada com o controle por tensão de armadura. Essa velocidade máxima ocorre quando a tensão de armadura do motor atinge seu máximo valor permitido.

47 Motores CC controle de velocidade variação da tensão de armadura O controle de velocidade por tensão de armadura permite controlar a velocidade do motor para velocidades inferiores à velocidade base. Para obter-se uma velocidade maior que a velocidade de base usando controle por tensão de armadura, seria necessária uma tensão de armadura excessiva e, assim, aumenta-se a probabilidade de danos ao circuito de armadura.

48 Motores CC controle de velocidade variação da tensão de armadura O fluxo no motor é constante, de modo que o conjugado máximo no motor é Z a P max I A, max 2 m Esse conjugado máximo é constante, independentemente da velocidade de rotação do motor. Como a potência fornecida pelo motor é dada por P a potência máxima do motor para qualquer velocidade controlada por tensão de armadura é P max max m Assim, no controle por tensão de armadura, a potência máxima fornecida pelo motor é diretamente proporcional à sua velocidade de operação.

49 Motores CC controle de velocidade variação da tensão de armadura max Z a P 2 m I A, max P max max m

50 Motores CC controle de velocidade

51 Motores CC controle de velocidade inserção de resistor em série na armadura V R T A n 2 K a K a ind Com a inserção de um resistor em série no circuito de armadura, temos um aumento na inclinação da característica de conjugado versus velocidade e, portanto, operação com menor velocidade. Trata-se de uma opção pouco eficiente devido às perdas no resistor inserido para controle de velocidade.

52 Motores CC controle de velocidade considerações Controle de tensão de armadura (que opera bem com velocidades inferiores à velocidade de base) e controle por resistência de campo (que opera bem para velocidades superiores à velocidade de base) são complementares. A combinação das duas técnicas permite a obtenção de um intervalo de variação de velocidade considerável. Assim, motores em derivação e de excitação independente apresentam excelentes características de controle de velocidades. No caso destes duas técnicas, temos uma diferença significativa nos limites de conjugado e potência de máquina. Como fator limitante, em ambos os casos, temos o aquecimento dos condutores de armadura (relacionado ao limite que deve ser imposto à corrente de armadura).

53 Motores CC controle de velocidade considerações

54 Motores CC controle de velocidade considerações

55 Motores CC controle de velocidade efeito do circuito de campo em aberto Se por um acaso o circuito de campo se abrir, o fluxo na máquina diminuiria repentinamente até chegar a um valor residual (φ res ) e a fem induzida na armadura (E A = Kφω m ) se reduziria junto. Isso provocaria um grande aumento da corrente de armadura e o conjugado induzido resultante seria bem mais elevado do que o conjugado de carga do motor. Assim, a velocidade do motor começaria a aumentar de forma contínua. Por isso, nos circuitos de partida e de proteção de um motor CC deve-se incluir um relé de perda de campo, que é usado para desligar o motor da linha, no caso de se perder a corrente de campo.

56 Motores CC controle de velocidade considerações

57 Motores CC ímã permanente Com relação aos construídos em derivação e com alimentação externa, podemos citar: Vantagens Sem perdas por efeito Joule; permitem construção com dimensões mais compactas; em geral, são mais baratos, de menor tamanho, mais simples e mais eficientes. Desvantagens Não conseguem produzir fluxo tão elevado e, assim, possuem menor conjugado induzido por ampere no enrolamento de armadura; reação de armadura, temperatura e choques podem causar desmagnetização; menor resistência mecânica.

58 Motores CC série Motor cujos enrolamentos de campo consistem em relativamente poucas espiras conectadas em série com o circuito de armadura. Neste caso, a corrente de armadura, a corrente de campo e a corrente de linha são todas a mesma.

59 Motores CC série

60 Motores CC série característica de terminal

61 Motores CC série No motor CC série não saturado, a velocidade do motor varia com o inverso da raiz quadrada do conjugado. Uma das consequências é que se o conjugado vai a zero, sua velocidade vai a infinito. Como consequência, este tipo de motor nunca deve ser deixado sem carga ou, de forma mais prática, nunca conecte este tipo de motor a uma carga com um acoplamento que possa se romper.

62 Motores CC série

63 Motores CC série controle de velocidade A única forma de alterarmos, de forma eficiente, a velocidade em um motor CC série consiste na variação da tensão de terminal do motor. Se a tensão de terminal for incrementada, temos aumento no primeiro termo da equação e isso resulta em velocidade mais elevada para qualquer conjugado dado. Esta variação da tensão de terminal pode ser obtida por controle de estado sólido.

64 Motores CC série controle de velocidade

65 Exercício m n m

66 Exercício m n m

67 Exercício m n m

68 Exercício m n m

69 Exercício m n m

70 Exercício m n m

71 Exercício m n m

72 FIM

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