Upload
leonardo-alvaro
View
242
Download
10
Embed Size (px)
DESCRIPTION
lll
Citation preview
Máquina de Corrente Contínua
Prof.: Welbert Rodrigues Coltec/MG
Welbert Rodrigues 2
Introdução Máquinas Elétricas são equipamentos
destinados à Conversão Eletromecânica de Energia;
Possibilitam o intercâmbio entre a energia elétrica e a mecânica;
Essa conversão se dá através do campo magnético gerado por um imã ou por uma corrente que percorre uma bobina;
Welbert Rodrigues 3
Introdução As máquinas elétricas podem funcionar
como motores e como geradores;
Motores Elétricos: fazem a conversão de energia elétrica aplicada aos seus terminais para energia mecânica, disponibilizada no eixo.
Geradores Elétricos: fazem a conversão de energia mecânica aplicada ao eixo para energia elétrica, disponibilizada nos seus terminais.
Welbert Rodrigues 4
Introdução Neste texto será analisado as
máquinas funcionando como motores.
O funcionamento dos geradores podem facilmente ser estudados com os mesmos princípios aqui abordados;
Welbert Rodrigues 5
Introdução Fluxo de Potência de um motor;
Welbert Rodrigues 6
Introdução Um motor elétrico é constituído
essencialmente de duas partes:
1) Estator: composto de todo o conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina;
2) Rotor: é uma parte móvel do motor, ligada ao eixo de transmissão de movimento, localizado internamente ao Estator;
Welbert Rodrigues 7
Introdução
Welbert Rodrigues 8
Introdução No Rotor e no Estator dos motores são
montados os enrolamentos, os quais vão gerar os campos magnéticos;
A interação entre esses dois campos é responsável por gerar a força (torque/conjugado) para girar o eixo do motor;
Welbert Rodrigues 9
Introdução Ao redor de uma bobina (enrolamento)
percorrida por uma corrente elétrica existe um campo magnético;
Podendo ser vista como um imã;
Welbert Rodrigues 10
Introdução Enrolamento de Campo: são as
bobinas onde haverá criação de um fluxo magnético, fonte primária de fluxo;
Motores de imã permanente não possuem enrolamentos de campo;
Imãs permanentes são geralmente usados em máquinas pequenas, de menor potência.
Welbert Rodrigues 11
Introdução Enrolamento de Armadura: são as
bobinas nas quais serão induzida a tensão desejada;
As bobinas são enroladas sobre núcleos de ferro laminado, para que o caminho do fluxo seja o mais eficiente possível e as perdas por Corrente de Foucault menores.
Welbert Rodrigues 12
Introdução Conversão Eletromecânica de
Energia
Sistema
Elétrico
Sistema
Mecânico
Campo de
Acoplamento
V e I T e ωm
Welbert Rodrigues 13
Introdução Os motores elétricos mais
comuns são:
1) Motor de Corrente Contínua;
2) Motor de Indução;
3) Motor Síncrono;
Welbert Rodrigues 14
Motor de Corrente Contínua
O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas:
Estator: onde é montado o enrolamento de campo ou ímã permanente;
Rotor: onde é montado o enrolamento de armadura.
Welbert Rodrigues 15
Motor de Corrente Contínua
O Motor CC consiste de uma bobina fixa (Estator) e uma móvel (Rotor);
Sendo necessário duas fontes para alimentá-las;
Welbert Rodrigues 16
Motor de Corrente Contínua
Para essa máquina funcionar como um Gerador CC é necessário uma fonte para alimentar o enrolamento de campo (bobina fixa - Estator);
E uma força externa pra girar o rotor da máquina;
Welbert Rodrigues 17
Motor de Corrente Contínua
Tanto o enrolamento de campo (Estator), quanto o enrolamento de armadura (Rotor) são alimentados com corrente contínua;
Razão pelo nome: Motor CC;
Welbert Rodrigues 18
Motor de Corrente Contínua
A figura mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos;
Welbert Rodrigues 19
Motor de Corrente Contínua
Motor CC de 2 e 4 Pólos;
Welbert Rodrigues 20
Motor de Corrente Contínua
Caminho do campo magnético gerado pelo enrolamento de campo;
Welbert Rodrigues 21
Motor de Corrente Contínua
Os enrolamentos do rotor são alimentados por um sistema mecânico de comutação;
Welbert Rodrigues 22
Motor de Corrente Contínua
Esse sistema é formado por um comutador, acoplado ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica, com diversas lâminas (Coletor) às quais são conectados os enrolamentos do rotor;
E por escovas fixas, que exercem pressão, através de uma mola, sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação;
Welbert Rodrigues 23
Motor de Corrente Contínua
Desenho esquemático bastante simplificado de um motor CC com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.
Welbert Rodrigues 24
Motor de Corrente Contínua
Princípio de funcionamento do motor CC de 2 pólos;
Veja links: http://www.walter-fendt.de/ph14s/electricmotor_s.htm e http://fisik.free.fr/ressources/MccComplet.swf
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/dcmotor/index.html e
http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=1266.0
Vídeo 1
Vídeo 2
Welbert Rodrigues 25
Motor de Corrente Contínua
Na prática os rotores possuem diversas bobinas e para cada uma delas o sistema de comutação possui um par de anéis coletores;
Welbert Rodrigues 26
Motor de Corrente Contínua
Corte transversal de uma máquina CC;
Welbert Rodrigues 27
Motor de Corrente Contínua
Sentido dos campos magnéticos de uma máquina CC;
Veja link: http://www.ece.umn.edu/users/riaz/animations/dcmachine.html
Welbert Rodrigues 28
Motor de Corrente Contínua
Como os enrolamentos CC são comumente montados o sentido dos campos magnéticos estão sempre defasados de 90º;
Welbert Rodrigues 29
Motor de Corrente Contínua
Detalhes do sistema de comutação;
Welbert Rodrigues 30
Motor de Corrente Contínua
A figura mostra uma estrutura típica das escovas e seu conjunto de suporte;
A escova é colocada no porta escovas, e é comprimida por meio de uma mola contra o coletor;
Welbert Rodrigues 31
Motor de Corrente Contínua
Detalhes da construção do rotor. O rotor é fabricado de ferro
laminado, para evitar as perdas por Corrente de Foucault.
Welbert Rodrigues 32
Motor de Corrente Contínua
A medida que o rotor gira é alterado os pares de coletores que possuem contato com as escovas;
Welbert Rodrigues 33
Motor de Corrente Contínua
Rotor
Welbert Rodrigues 34
Motor de Corrente Contínua
Rotor
Vídeo 3
Welbert Rodrigues 35
Motor de Corrente Contínua
Enrolamento de campo (Estator) de um motor CC;
Welbert Rodrigues 36
Motor de Corrente Contínua
Enrolamento de campo (Estator) de um motor CC;
Welbert Rodrigues 37
Motor de Corrente Contínua
Vista do Estator e do Rotor;
Vídeo 4
Vídeo 5
Welbert Rodrigues 38
Motor de Corrente Contínua
Corte longitudinal do Motor CC
Welbert Rodrigues 39
Motor de Corrente Contínua
d
Welbert Rodrigues 40
Motor de Corrente Contínua
D
Welbert Rodrigues 41
Motor de Corrente Contínua
d
Welbert Rodrigues 42
Motor de Corrente Contínua
d
Welbert Rodrigues 43
Motor de Corrente Contínua
d
Welbert Rodrigues 44
Motor de Corrente Contínua
Acoplamento entre grandeza elétrica e mecânica;
Tensão induzida:
Força exercida sobre os condutores do rotor:
Torque no eixo do rotor:
Sistema Elétrico
Sistema Mecânic
o
Campo de
Acoplamento
V e I T e ωm
e NBlv
F NBil
T NBilr
Welbert Rodrigues 45
Motor de Corrente Contínua
Velocidade linear e angular:
As duas grandezas elétricas, e as duas grandezas mecânicas são acopladas através do campo B.
E são relacionadas pela lei da conservação da energia. Dividindo as equações anteriores:
v r
me NBlv
T NBilr i
mei T
Welbert Rodrigues 46
Motor de Corrente Contínua
Potência Elétrica e Potência Mecânica
A conversão eletromecânica de energia deve envolver dois componentes:
Um é o enrolamento de campo, que é a parte da máquina que produz o campo de acoplamento B;
E o outro é o enrolamento de armadura, que é a parte na qual existem a fem “de trabalho” e e a corrente i.
mei T
Welbert Rodrigues 47
Motor de Corrente Contínua
Exercício: Um motor elétrico CC consome 180W de potência elétrica e possui um rendimento de 80%. O seu rotor possui um comprimento de 0,2m e um raio de 0,1m com 20 espiras no enrolamento de armadura. O campo magnético gerado pelo enrolamento de campo é de 0,4T. Ao fornecer 5A de corrente ao enrolamento de armadura, determine:
Welbert Rodrigues 48
Motor de Corrente Contínua
a) o fluxo magnético máximo que enlaça a bobina do rotor. Resp.: 50,3mWb
b) e o fluxo mínimo. Resp.: 0mWb c) o torque desenvolvido. Resp.: 1,6Nm d) velocidade, em rpm, dessa máquina.
Resp.: 860rpm e) a potência mecânica no eixo do motor.
Resp.: 144W f) sem utilizar a potência, determine a tensão
no enrolamento de armadura (rotor). Resp.: 28,8V
Welbert Rodrigues 49
Motor de Corrente Contínua
A figura abaixo mostra o modelo do circuito elétrico do motor CC.
Welbert Rodrigues 50
Motor de Corrente Contínua
Ia = corrente de armadura (rotor) Va = tensão de alimentação na armadura Ra = resistência da armadura La = indutância da armadura If = corrente de excitação (campo) Vf = tensão de excitação (campo) Rf = resistência do enrolamento de excitação Lf = indutância do enrolamento de excitação Φ = fluxo magnético entre armadura e estator
Welbert Rodrigues 51
Motor de Corrente Contínua
A lei de kirchhoff aplicada ao circuito de armadura:
Onde E é a força eletromotriz induzida nos enrolamentos de armadura.
a a aV R I E
Welbert Rodrigues 52
Motor de Corrente Contínua
Pela Lei da Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida é dada por:
ωm velocidade da máquina (rad/s); Φ fluxo no entreferro;
KT é uma constante (Torque) que depende do tamanho do rotor, do número de pólos, e como esses pólos estão interconectados;
p é nº de pólos; N é o nº de condutores e a é o nº de caminhos paralelos;
. .T mE K
2T
pNK
a
Welbert Rodrigues 53
Motor de Corrente Contínua
O Torque desenvolvido por um motor é dado por:
Como já apresentado o torque também é dado por:
. .T aT K I
a a
m
V IT
Welbert Rodrigues 54
Motor de Corrente Contínua
Combinando as equações:
Tem-se que:
Admitindo que a queda de tensão na armadura é pequena (RaIa≈0), a expressão se reduz a:
a a aV R I E . .T mE K
a a am
T
V R I
K
1. a
mT
V
K
Welbert Rodrigues 55
Motor de Corrente Contínua
Portanto, a velocidade é diretamente proporcional à tensão de armadura, e inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.
O controle da velocidade, até a velocidade nominal, 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.
. am
Vk
Welbert Rodrigues 56
Motor de Corrente Contínua
Modelo do circuito elétrico do Gerador CC.
a a aV E R I
Welbert Rodrigues 57
Motor de Corrente Contínua
ExercícioUm motor CC em derivação de 20HP, 230V e 1150rpm tem quatro pólos, quatro percursos de armadura paralelos e 882 condutores de armadura. A resistência do circuito de armadura é 0,188Ω. Na velocidade nominal a corrente de armadura é 73A e a de campo 1,6A. Calcule:a) o torque eletromagnético; b) o fluxo por pólo;c) as perdas rotacionais; d) o rendimento; e) A carga no eixo;
Welbert Rodrigues 58
Motor de Corrente Contínua
ExercícioA carga do eixo do motor da questão anterior permanece fixa, mas há uma redução de 80% no fluxo de campo por meio do reostato de campo. Determine a nova velocidade de operação do motor.Gabarito: 1) a)132Nm b) 0,0128Wb c) 870W
d) 86,9%
e)124Nm
2) 1414rpm
Welbert Rodrigues 59
Motor de Corrente Contínua
Controle de velocidade A variação de velocidade desses motores é
obtida de diversos modos, sendo os mais comuns a variação da tensão aplicada ao induzido (armadura) e
a variação do fluxo no entreferro pelo controle da corrente de campo (excitação);
O controle da velocidade pela variação da tensão de armadura pode ser feita através de conversores;
. am
Vk
Welbert Rodrigues 60
Motor de Corrente Contínua
Controle de velocidade utilizando um buck;
.out inV DV
Welbert Rodrigues 61
Motor de Corrente Contínua
Regulação de Velocidade
ω0 => velocidade em vazio; ωn => velocidade em plena
carga;
0 .100n
n
RV
Welbert Rodrigues 62
Motor de Corrente Contínua
Um motor de corrente contínua, em geral, não pode ser ligado à rede diretamente, pois a resistência do induzido é reduzida e, no momento da partida, não haverá ainda tensão primária (força contra-eletromotriz).
O alto valor da corrente que aparece no momento da partida poderá ser diminuído com uma resistência em série com o rotor ou pelo controle da tensão. Esta resistência pode ser desligada gradativamente, já que a tensão primária se encarrega da regulagem na admissão da corrente logo que o rotor aumente sua rotação.
Welbert Rodrigues 63
Motor de Corrente Contínua
Os motores CC podem ser classificados quanto ao tipo de excitação:
a) Motores de CC com excitação independente;b) Motores de CC com enrolamento em série;c) Motores de CC com enrolamento em paralelo;d) Motores de CC com enrolamento composto (compound);e) Motores de CC de imã permanente;
Welbert Rodrigues 64
Motor de Corrente Contínua
Excitação Independente
Toque possui relação linear com acorrente de armadura
Welbert Rodrigues 65
Motor de Corrente Contínua
Excitação em Derivação (paralelo/shunt)
Welbert Rodrigues 66
Motor de Corrente Contínua
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);
A velocidade varia com a carga e o conjugado de partida é muito grande;
O motor série gira lentamente em grandes cargas e rapidamente em pequenas;
Não podem partir a vazio;
Welbert Rodrigues 67
Motor de Corrente Contínua
ExercícioUm motor CC em derivação de 20HP, 230V e 1150rpm tem uma resistência do circuito de armadura de 0,188Ω. Na velocidade nominal o motor solicita uma corrente da rede de 74,6A e uma corrente de campo de 1,6A.a) Calcule a velocidade quando a corrente da rede for 38,1A.b) Qual a velocidade em vazio, se Irede=1,9A.
c) Determine a regulação de velocidade;
Welbert Rodrigues 68
Motor de Corrente Contínua
Exercícioa) Ean=230 – (74,6-1,6).0,188 = 216,3V
Ea1=230 – (38,1-1,6).0,188 = 223,14V KTΦ=constante
. .T mE K
1
1
an a
mn m
E E
1 1186,4m rpm
Welbert Rodrigues 69
Motor de Corrente Contínua
Exercíciob) Ea0=230 - (1,9-1,6).0,188 => Ea0=229,9V
c)
0
0
an a
mn m
E E
0 1223,3m rpm
1223,3 1150.100 6,29%
1150RV
Welbert Rodrigues 70
Motor de Corrente Contínua
Como principal vantagem sobre os demais motores, o motor de CC possui fácil controle de velocidade;
Como eles são alimentados com corrente contínua e sua velocidade está diretamente relacionada com a sua tensão de alimentação, o seu controle pode ser feito usando um conversor CC-CC;
Welbert Rodrigues 71
Motor de Corrente Contínua
Uma aplicação bastante comum desse tipo de motor é em motor de partida de veículos movidos a motores de combustão, onde se dispõe de uma fonte de corrente contínua (bateria) e se requer altos torques a baixa rotação.
Welbert Rodrigues 72
Motor de Corrente Contínua
As características técnicas de um motor deste tipo, como por exemplo a relativa facilidade com que se consegue controlar a sua velocidade e os altos níveis de torque a baixas rotações, lhe garante aplicações específicas como tração elétrica (trens, bondes) e usos em processos industriais que requerem esses propriedades como laminadores e acionamentos para posicionamentos de cargas mecânicas (sistemas automatizados e robôs).
Welbert Rodrigues 73
Motor de Corrente Contínua
Desvantagem: Operar em corrente contínua, uma
vez que a rede elétrica pública opera em corrente alternada;
Portanto, necessitam de um sistema de retificação da tensão da rede;
Manutenção muito alta, devido as escovas (comutador);
Welbert Rodrigues 74
Motor de Corrente Contínua
Desvantagem: São maiores e mais caros que os
demais motores, para uma mesma potência;
Geram arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos);