Apostila MCC, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 1

Apostila 8

Máquina de Corrente Contínua

A máquina CC é um dos 3 tipos básicos de máquinas elétricas (existem ainda máquinas síncronas e máquinas de indução) que tem sido largamente usada na indústria, principalmente quando se necessita de variação de velocidade, uma vez que ela é capaz de fornecer torque numa ampla faixa de velocidades. A sua importância vem diminuindo nos últimos anos devido ao fato de que máquinas de indução e máquinas síncronas alimentadas por conversores estáticos permitirem igualmente variação de velocidade bastante de forma muito eficiente. Neste capítulo é feita uma introdução sobre o princípio de funcionamento e principais características da máquina de corrente contínua.

1. Princípio de Funcionamento das Máquinas Elétricas

N S

u B

N S e L

B

+

_

u

Figura 1 - Princípio de funcionamento das máquinas elétricas

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 2

Todas as máquinas elétricas funcionam segundo o princípio da indução eletromagnética, o qual se encontra ilustrado na figura 1. De acordo com este princípio, em todo condutor elétrico que se movimenta com uma dada velocidade dentro de um campo magnético surge uma tensão entre os seus terminais. A tensão obtida por meio deste fenômeno é chamada de tensão induzida, a qual é dada pela seguinte expressão:

e B L u= ⋅ ⋅ (1)

e - tensão induzida (Volts)

B - indução magnética do campo (Tesla)

L - comprimento do condutor (m)

u - velocidade do campo na direção perpendicular ao campo magnético (m/s)

1.1 Princípio de Funcionamento Aplicado ao Gerador de Tensão

N S e L

B

i +

_

u

N S

u B

Figura 2 - Princípio de indução aplicado ao gerador de tensão

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 3

O condutor analisado anteriormente, quando ligado a uma carga, faz com que circule uma corrente pela mesma, conforme mostra a figura 2. O esquema na figura 2 representa, assim, um gerador elétrico elementar, cujo princípio pode ser resumido da seguinte forma:

• a máquina primária força o condutor a se movimentar no campo magnético exercendo sobre este uma força e transferindo ao mesmo uma determinada energia mecânica;

• O movimento do condutor faz com que uma tensão apareça entre os seus terminais a qual é dada pela equação (1);

• ao ser conectada a uma carga circula uma corrente no condutor e pela carga. A potência mecânica transferida ao condutor é transferida ao circuito elétrico.

1.2 Princípio de Funcionamento Aplicado ao Motor Elétrico

Também de acordo com o princípio de indução, verifica-se que todo condutor percorrido por corrente e imerso num campo magnético sofre a ação de uma força, a qual é dada pela relação.

N S

F B

N S V L

B

i +

_

F

x i

Figura 3 - Princípio de indução aplicado ao motor elétrico

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 4

F B L i= ⋅ ⋅ (2)

B - indução magnética do campo (Tesla)

L - comprimento do condutor (m)

i - corrente no condutor (A)

F - força sobre o condutor na direção perpendicular ao campo magnético (Newton)

Desta forma, se no arranjo da figura 1 os terminais do condutor forem ligados a uma fonte de tensão de amplitude maior que a tensão gerada, haverá uma corrente circulando no condutor de sentido contrário ao caso anterior. Como o condutor se encontra no campo

x x x xxx

ω

+

_e

ωt

e(t)

Figura 4 - Tensão induzida numa espira do enrolamento do induzido sem comutador.

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 5

magnético pode-se medir uma força F que atua ao longo do condutor, como ilustrado na figura 3.

1.3 Princípio de Funcionamento da Máquina de Corrente Contínua Os princípios explicados anteriormente são explorados de uma forma particular nos três tipos básicos de máquinas elétricas (síncronas, de indução e máquina CC).

Na máquina CC o campo magnético é criado por um conjunto de pólos, os quais são dispostos ao longo da periferia da parte externa fixa, chamada de estator (figura 4). Os pólos norte e sul são dispostos de forma alternada. O enrolamento que alimenta os pólos e que gera o campo magnético é chamado de enrolamento de campo. Este enrolamento é alimentado a partir de uma fonte de corrente contínua, produzindo assim um campo magnético constante ao longo do tempo, como ilustra a figura (4).

x x x xxx

ω

escova

+

_

ωt

e(t)

Figura 5 - Tensão induzida numa espira, enrolamento elementar composto de uma espira, rotor provido de um comutador elementar com 2 lamelas.

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Os condutores em que a tensão é induzida não são condutores isolados, como ilustrados nas figuras 1, 2 e 3, mas sim espiras, as quais são conectadas umas às outras de forma a formarem um enrolamento fechado (figura 4). Este enrolamento está montado sobre uma estrutura cilíndrica que gira, por este motivo chamada de rotor. Este enrolamento é chamado de enrolamento da armadura, ou ainda de induzido. Assim, a máquina CC constitui-se de duas partes fundamentais:

estator, onde o enrolamento de campo é alojado;

rotor, onde o enrolamento induzido é alojado.

A forma de funcionamento pode ser melhor entendida analisando-se inicialmente uma máquina elementar composta de uma espira que gira no campo magnético criado por dois pólos, como ilustrado na figura 4. Como a espira percorre alternadamente um pólo positivo e um negativo (norte e sul) surge nos seus terminais uma tensão do tipos alternada,

x x x xxx

ω

+

_

ωt

e(t)

Figura 6 - Tensão induzida numa espira, enrolamento elementar composto de uma espira, rotor provido de um comutador elementar com 2 lamelas.

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 7

mostrada na figura 4.

Dado que máquina CC se deseja obter uma tensão do tipo contínua, é necessário que as conexões da espira com o circuito externo na figura 5 sejam invertida a cada meio período de rotação da espira. Isto é feito por meio de um comutador mecânico. A figura 5 ilustra o princípio de um comutador elementar, composto de apenas duas lâminas (lamelas), que conectam os terminais da espira ao circuito externo. Este arrranjo é obtido da figura 4 acrescentado-se um comutador. A conexão da enrolamento da armadura passa a ser feita por meio de escovas que permanecem fixas sobre o comutador, que gira solidário com a armadura.

Assim, a ação do comutador faz com que a tensão nos terminais possua sempre a mesma polaridade. Usando-se apenas uma espira existe uma variação bastante acentuada na tensão induzida gerada; aumentando-se o número de espiras que giram no campo obtém-se uma tensão mais uniforme. A figura 6 mostra o caso onde existem 2 espiras girando no

x x x xxx

ω

+

_

ωt

e(t)

Figura 7 - Tensão resultante induzida em duas espiras em série, enrolamento elementar, rotor provido de um comutador com 4 lamelas.

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 8

campo; o comutador possui neste caso 4 lamelas. Verifica-se que a tensão induzida está mais próxima de uma tensão contínua que no caso anterior.

Numa máquina real existe um grande número de espiras ligadas em série, de tal forma que a tensão é virtualmente uma tensão contínua. O comutador possui também um número muito grande de lamelas. A figura 7 ilustra o caso em que o número de espiras ligadas em série é bastante grande. O número de lamelas necessárias no comutador também é bastante grande.

As máquinas CC possuem assim, um terceiro componente básico chamado de comutador, cuja ação transforma a tensão alternada induzida em uma tensão contínua. O comutador está montado numa das extermidades da armadura e gira solidário com esta.

Sobre o comutador são montadas as escovas que permanecem fixas em relação ao estator. Elas são o elemento de conexão entre o circuito externo e o enrolamento da armadura.

2. Principais Partes Construtivas de uma Máquina CC

A seguir é feita uma descrição breve das principais partes construtivas de uma máquina

+

_x x x

x

x

x

x

xxx

x

x

x

carcaça (núcleo do estator)

pólo principal

enrolamento de compensação

pólo de comutação

enrolamento de comutação

escova enrolamnento da armadura

comutador núcleo do rotor

enrolamento de excitação principal

enrolamento de excitação auxiliar (eventual)

sapata polar

eixo

Figura 8 - Corte transversal da máquina de corrente contínua mostrando as partes constituintes principais.

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 9

CC, as quais são mostradas esquematicamente na figura 8.

2.1 Partes Constituintes do Estator

Carcaça : é a estrutura que suporta todas as demais partes. Também tem por função conduzir o fluxo magnético de um pólo ao outro.

Pólos de Excitação Principal : constitui um núcleo magnético formado por um conjunto de chapas laminadas. Têm por função produzir o fluxo magnético. As suas extremidades são mais largas e constituem as sapatas polares.

Enrolamento Principal de Campo : o enrolamento principal de campo é bobinado sobre o pólo de excitação principal. É alimentada em corrente contínua e estabelece assim um campo magnético contínuo no tempo.

Enrolamento Auxiliar de Campo : igualmente alojado sobre o pólo principal. À semelhança do enrolamento de compensação, tem por função compensar a reação da armadura reforçando o campo principal.

Pólos de Comutação : são alojados na região entre os pólos e constituidos por um conjunto de chapas laminadas justapostas.

Enrolamentos de Comutação : são percorridos pela corrente da armadura, sendo ligados em série com este. Têm por função facilitar a comutação e evitar o aparecimento de centelhamento no comutador.

Enrolamento de Compensação : são alojados em ranhuras na superficíe dos pólos excitação (sapatas polares). Têm por finalidade eliminar os efeitos do campo da armadura e melhorar a comutação. É mais comum em máquina de alta potência, devido ao custo adicional de fabricação e dos materiais.

Conjunto Porta-Escovas e Escovas : o porta-escovas é a estrutura mecânica que aloja as escovas. É montado de tal forma que possa ser girado para um perfeito ajuste da comutação da máquina. As escovas são constituidas de material condutor e deslizam sobre o comutador quando este gira; elas são pressionadas por molas contra a superfície do comutador. As escovas também conectam o circuito externo da máquina com o enrolamento da armadura.

2.2 Partes Constituintes do Rotor

Núcleo Magnético : é constituido de de um pacote de chapas de aço magnético laminadas, com ranhuras axias para alojar o enrolamento da armadura.

Enrolamento da Armadura : é composto de um grande número de espiras em série ligadas ao comutador. O giro da armadura faz com que seja induzida uma tensão neste enrolamento.

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Comutador : é constituido de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua.

Eixo : é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada.

A figura 9 mostra um esquema dos principais enrolamentos das máquinas CC usuais. Deve- se notar que apenas o enrolamento da armadura e de campo são obrigatórios, os demais dependem das características que a máquina deve apresentar para a aplicação em questão.

A

B

C

D E

A - armadura

B - comutação

C - compensação

D - campo auxiliar

E - campo principal

Enrolamentos :+ _ + _

Figura 9 - Esquema geral de conexão dos enrolamentos da máquna de corrente contínua

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3. Principais Conexões dos Enrolamentos dos Motores CC

As características de potência, velocidade e torque da máquina CC estão intimamente ligadas à forma de conexão dos enrolamentos de campo e armadura. Assim, para cada aplicação específica deve-se conectar a máquina de uma certa forma. As três conexões básicas de uma máquina CC são apresentadas e discutidas abaixo.

A E

+ _ + _

Enrolamentos :

A - armadura

E - campo principal

Va Vc Torque

Rotação

controle da armadura

controle do campo

Figura 10 - Esquema de conexão para excitação independente

A E

+ _

Enrolamentos :

A - armadura

E - campo principal

Va Torque

Rotação

Figura 11 - Esquema de conexão para excitação série

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3.1 Excitação Independente

Neste tipo de conexão tanto o enrolamento da armadura como o do estator são ligados à fontes de tensão indepentes uma da outra. A figura 10 ilustra este caso, sendo que somente os enrolamentos da armadura e de excitação são mostrados. Neste tipo de conexão a velocidade da máquina pode ser ajustada tanto pelo ajuste da tensão da armadura como pela tensão de campo. A característica torque versus velocidade é igualmente ilustrada na figura 10. Esta conexão é utilizada no acionamento de bombas, compressores, tornos, bobinadeiras, máquinas têxteis, etc...

3.2 Excitaçaõ em Derivação

Este é um caso particular em que o enrolamento de campo é ligado em paralelo com a tensão de armadura, ou seja Va=Vc. A característica de torque versus velocidade é semelhante àquela do motor com excitação independente, mostrada na figura 10.

A E

+ _

Enrolamentos :

A - armadura

E - campo principal

Va Torque

Rotação

_ + Vc

Figura 12 - Esquema de conexão para excitação mista (composta)

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3.3 Excitação Série

Neste tipo de conexão o enrolamento de campo é ligado em série com a armadura, sendo ambos percorridos pela mesma corrente. A rotação pode ser controlada por meio da tensão de armadura. A máquina adquire um alto torque de partida, o qual diminui com a rotação. Esta característica é muito interessante para aplicação em guindastes, tração elétrica, etc... Deve-se notar que o motor não deve trabalhar com cargas muito leves, uma vez que a rotação do mesmo tende a aumentar muito, podendo destruir o motor. A figura 11 ilustra esta conexão.

3.4 Excitação Mista

Muitas vezes se deseja um motor com característica intermédiaria entre a do motor com excitação independente e a do motor com excitação série. Para este fim utiliza-se a excitação mista (também chamada de excitação composta). Neste caso o enrolamento auxiliar de campo é ligado em série com a armadura e o enrolamento principal é ligado à uma fonte independente, conforme ilustrado pela figura 12. A característica de torque obtida se situa entre a curva dos dois casos anteriores. Esta conexão é utilizada quando se espera variações bruscas da carga acionada. A rotação pode ser controlada tanto pela tensão da armadura como pela tensão de campo.

4. Rendimento do Motor CC

O rendimento é definido como a relação em percentual entre a potência útil convertida no eixo (potência mecânica) dividido pela potência absorvida pela máquina (potência elétrica de entrada). A diferença entre ambas as quantidades se constituem nas perdas que ocorrem na máquina.

( ) η = ⋅ =

− ⋅

P P

P P

P m

e

e p

e 100 100

η - rendimento em percentual

Pm - potência mecânica (útil) no eixo

Pe - potência elétrica de entrada

As perdas que se verificam nas máquina elétricas são de diversas origens, elas geram calor e podem ser resumidas nas seguites:

perdas mecânicas, devida ao atritos mecânicos nas partes girantes;

perdas joule, é o calor gerado nos diversos enrolamentos devido à resistência elétrica dos mesmos;

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perdas no ferro, são de dois tipos : perdas por histerese e perdas por correntes parasitas.

Como a perdas dependem da condição de carga e da rotação elas não são constantes durante a operação da máquina. Desta forma o rendimento não se mantém igualmente constante. A figura 13 ilustra uma curva típica do rendimento de um motor CC em função da carga no eixo e em função da rotação. Pode-se verificar que o rendimento atinge um máximo em torno dos valores nominais para o qual foi projetado.

5. Valores Nominais

São os valores que definem os valores permitidos de operação da máquina sem que a mesma sofra prejuízos permamentes. Elas são definidas pelo fabricante, podendo também serem previamente especificadas pelo usuário. Em todas as máquinas são munidas de uma placa de identificação, onde os dados nominais são gravados. Os principais valores nominais da máquina CC são as seguintes:

Potência nominal, é a máxima potência obtenível da máquina em operação contínua. A máquina não deve operar por longos períodos com potência maior que esta.

Rotação nominal, é a rotação de trabalho da máquina. Caso a máquina se destina a trabalhar com velocidade variável, existe uma velocidade mínima e máxima.

Tensão nominal de armadura, define a tensão de operação normal da máquina, não sendo possível operar com tensão superior a esta. Operação com tensão reduzida é possível, desde que a potência nominal seja reduzida na mesma proporção.

Corrente nominal de armadura, define a tensão de operação normal da máquina, não sendo possível operar por longos períodos com corrente superior

25 50 75 100 125 carga (%)

η (%)

25 50 75 100 rotação (%)

η (%)

Figura 13 - Curvas típicas de rendimento para um motor CC

Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 15

a esta. Operação com corrente reduzida é possível, desde que a potência nominal seja reduzida na mesma proporção.

Tensão nominal de campo, é a tensão de alimentação do enrolamento de campo.

Corrente nominal de campo, é a corrente de alimentação do enrolamento de campo. O campo não deve trabalhar com longos períodos com corrente maior que esta.

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