Máquinas Elétricas I - Apostila Unesp [aula 5], Notas de estudo de Engenharia Elétrica
rodolfo-machado-7
rodolfo-machado-7

Máquinas Elétricas I - Apostila Unesp [aula 5], Notas de estudo de Engenharia Elétrica

13 páginas
50Números de download
1000+Número de visitas
Descrição
Notas de aula do Prof. Dr. Marcos J. Rider usadas em sala de aula na Unesp de Ilha Solteira.
80 pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
Baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 13
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 13 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 13 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 13 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 13 páginas
aula52.pdf

Aula 6

1. MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

• Estrutura e características básicas do Motor CC

• Motor CC com excitação independente

• Motor CC com excitação paralela (shunt)

Motor CC – Estrutura básica

Ø A máquina de corrente contínua pode operar tanto como gerador quanto como motor.

Ø Quando operada como gerador, a potência de entrada da máquina é potência mecânica e de saída é a potência elétrica. Uma máquina primária aciona mecanicamente o circuito de armadura da máquina CC com o circuito de campo energizado, e potência elétrica é gerada.

Ø Quando a máquina CC opera como motor, a potência de entrada da máquina é potência elétrica e a potência de saída é a potência mecânica. Se o circuito de armadura é conectado a uma fonte CC circuito de campo energizado, o motor irá desenvolver torque mecânico.

Ø As máquinas CC são mais empregadas como motor, visto que oferecem diferentes características de torque x velocidade e diversas opções para o controle da velocidade.

Ø Os motores CC são adequados para: 1. Aplicações que requerem velocidade constante para uma demanda de

torque variável. 2. Aplicações que requerem controle da velocidade em uma larga faixa de

variação.

Motor CC – Estrutura básica

•Tp = torque de perdas rotacionais

Convenção de sinais

Motor CC – Estrutura básica

Ø As diferentes características de Torque x Velocidade são obtidas através de combinações de enrolamentos de campo série e paralelo e por diferentes formas de excitação dos enrolamentos:

• Motor CC com excitação independente

• Motor CC paralelo (shunt)

• Motor CC série

• Motor CC composto curto/longo (aditivo ou subtrativo)

Ø As equações de torque e tensão de armadura são as mesmas válidas para a operação como gerador:

Bil)(fLorentzdeforça

Blv)(eevelocidaddetensão

=→×Φ×=

=→×Φ×=

aa

maa

IKT

KE ω

Motor CC – Perdas e rendimento

Motor CC – Perdas e rendimento

Ø A potência elétrica total que entra no motor é dada por:

Pentrada = VtIt

Ø Considerando máquinas de 1 kW a 100 kW, temos que:

a) Parte da potência elétrica de entrada é perdida no enrolamento série:

Psérie = Rsr Isr 2 (1 a 2%)

b) Parte é perdida no enrolamento shunt (incluindo resistência de controle):

Pshunt = Rf If 2 (1 a 5%)

c) Parte é perdida no enrolamento de armadura (incluindo escovas):

Par = Ra Ia 2 (2 a 4%)

d) Parte é perdida na porção móvel, por atrito e por resistência do ar no entreferro, e também em perdas no ferro:

Protacional (3 a 15%)

e) Parte é fornecida na forma de torque mecânico para atender uma carga:

Psaída (74 a 93%)

Motor CC – Perdas e rendimento

Ø Assim, o balanço de potência do motor é dado por:

Pentrada = Psérie + Pshunt + Par + Protacional + Psaída

Ø E o rendimento da máquina é dado por:

%100×= entrada

saída

P

P η

Ø A potência total entregue à armadura Pa = EaIa é a soma das perdas rotacionais com a demanda da carga mecânica:

Pa = EaIa = Protacional + Psaída

Ø Pode-se, então, estimar as perdas rotacionais alimentado o motor a vazio com tensão terminal nominal. Assim,

Pa = EaIa = Protacional

Ø Normalmente, considera-se esse valor para qualquer condição de operação, ou seja, as perdas rotacionais independem da velocidade (aproximação).

Motor CC – Perdas e rendimento

Excitação composta

Motor CC – Perdas e rendimento

Excitação independente ou paralela

Motor CC independente – Modelo de regime permanente

Ø As equações que descrevem o modelo de regime permanente ilustrado acima são:

fff

aa

aatmaa

aaat

IRV

IKT

IRVKE

IREV

=

×Φ×=

×−=×Φ×=

×+=

ω

Motor CC paralelo – Modelo de regime permanente

Ø Praticamente, as mesmas equações são válidas para a máquina shunt (embora a resposta e implementação do controle de velocidade sejam diferentes)

fat

aa

aatmaa

aaat

III

IKT

IRVKE

IREV

+=

×Φ×=

×−=×Φ×=

×+=

ω

Motor CC paralelo/independente – Característica Torque x Velocidade

Ø Em muitas aplicações, motores cc são utilizados para acionar cargas mecânicas em situações que demandam uma das seguintes características:

Ø Algumas aplicações requerem que a velocidade se mantenha constante a medida que a carga (torque mecânico) varia.

Ø Algumas aplicações requerem variação de velocidade em uma ampla faixa de valores.

Ø Com isso, dependendo da aplicação, deve-se conhecer a relação entre torque e velocidade da máquina e determinar a forma de controle mais adequada.

Ø Para um motor CC com excitação independente (ou shunt), pode-se escrever que:

( ) T

K

R

K

V

K

IR

K

V

K

IRV

IKT

IRVKE

a

a

a

t

a

aa

a

t m

a

aat m

aa

aatmaa

× Φ×

− Φ×

= Φ×

× −

Φ× =

Φ×

× =

×Φ×=

×=×Φ×=

2

:quetemos(3),em(2)de

(3) -

:quetemos(1),de

(2)

(1)-

ω

ω

ω

Motor CC paralelo/independente – Característica Torque x Velocidade

Ø Se a tensão terminal Vt e o fluxo produzido pelo enrolamento de campo (Φ) permanecerem constantes, tem-se uma relação torque versus velocidade linear:

( ) xTretadainclinaçãoaé

vazioamáquinadaevelocidadaé

onde

22

1

21

m

a

a

a

t

m

K

R k

K

V k

Tkk

ω

ω

Φ× =

Φ× =

−= ωm

T, Ia

Φ×a

t

K

V

Ø A queda de velocidade com o aumento do torque (da carga) é pequena visto que Ra é pequeno, ou seja, o motor CC shunt ou independente, mesmo sem controle, tem boa regulação de velocidade.

Ø Além disso, em máquinas reais o fluxo Φ diminui com o aumento de Ia (reação de armadura), resultando em aumento da velocidade. Portanto, a reação de armadura melhora a regulação de velocidade de motores shunt e independente.

Motor CC paralelo/independente– Característica Torque x Velocidade

Ø A partir da equação:

conclui-se que a velocidade da máquina pode ser controla de três maneiras diferentes:

1. Controle de velocidade via tensão terminal (Vt)

2. Controle de velocidade via corrente de campo (Φ ∝ If)

3. Controle de velocidade via resistência de armadura (Ra)

Obs: usualmente, a opção de controle via tensão terminal não é recomendada para o motor de cc com excitação paralela visto que a corrente de campo (e conseqüentemente o campo) varia com a tensão terminal. Isso exige controladores mais complexos (controle simultâneo da tensão terminal e da corrente de campo)

( ) T

K

R

K

V

a

a

a

t m ×

Φ× −

Φ× =

2 ω

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Vt

Ø Neste método de controle, a resistência de armadura Ra e a corrente de campo If permanecem constantes. Nesse caso, a velocidade aumenta com o aumento de Vt.

( ) T

K

R

K

V

a

a

a

t m ×

Φ× −

Φ× = 2ω

Ø Para torque constante, a velocidade irá variar linearmente com Vt.

Ø Se carga mecânica é variada, a velocidade pode ser ajustada para se manter constante através de Vt.

Ø Para cada valor de torque fornecido para a carga há um ajuste correspondente da tensão terminal de forma a manter a velocidade constante.

Ø Para uma carga fixa pode-se conseguir variação suave de velocidade, desde zero até valor nominal, através do ajuste de Vt. Porém, este método é caro, pois exige uma fonte de tensão CC variável para o circuito de armadura.

ωm

TT1 T2 T3

Vt3

Vt2 Vt1

ωm = cte

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Vt

Ø Se a corrente de armadura (Ia) é assumida constante, temos que:

Ea Vt ∝ ωm

Ø E, portanto, a tensão terminal Vt aumenta linearmente com o aumento de ωm.

Ø Adicionalmente, se Ia é constante, então o torque T (KaΦ Ia) é constante, para um dado valor de corrente de campo.

Ø Com isso, a potência de entrada do motor (P = VtIa) também varia linearmente com a velocidade.

ωm

T

Vt

R a I a

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Vt

Ø Resumo:

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via If

Ø Neste método de controle, a resistência de armadura Ra e a tensão terminal Vt permanecem constantes, e a velocidade é controlada variando-se a corrente de campo If.

Ø Isto pode ser feito inserindo-se uma resistência variável (Rfc) em série com o enrolamento de campo.

Ø Desprezando a saturação do núcleo (linearidade magnética) o fluxo produzido pelo enrolamento de campo é proporcional a corrente de campo. Portanto,

( )

( ) T

IK

R

IK

V

Kk

T IkK

R

IkK

V

Ik

ff

a

ff

t m

af

fa

a

fa

t m

f

× ×

− ×

=

×=

× ××

− ××

=

×=Φ

2

2

:quetemos,KSupondo

isso,Com

ω

ω

Ø Para motor operando em vazio, T = 0, temos que

ff

t m

IK

V

× =ω

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via If

Ø A velocidade cresce com a diminuição da corrente de campo. Deve-se destacar que se a corrente de campo for muito baixa (If à 0), a velocidade pode atingir valores extremamente elevados.

Ø Para um dado valor de If, a relação ωm x T é dada po:.

ωm

If

Rfc|max

Rfc = 0

( ) xTretadainclinaçãoaé

vazioaevelocidadaéonde

24

3

43

m

ff

a

ff

t

m

IK

R k

IK

V k

Tkk

ω

ω

× =

× =

−=

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via If

Ø Para um dado torque a velocidade operação pode ser ajustada através da variação de Rfc e, conseqüentemente, de If.

Ø Para torque variável a velocidade pode ser mantida constante com o ajuste de Rfc.

Ø Esse tipo de controle é mais simples e barato comparado com o controle da tensão terminal. Mas a resposta é mais lente devido ao valor elevado da indutância do circuito de campo.A resposta usualmente é discreta devido a variação discreta da resistência de campo

T

ωm

T1 T2 T3

If1

If2

If3

ωm = cte

If

Rfc = 0

Rfc|max

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Vt e If

Ø Controle de velocidade de zero até o valor base (velocidade base se refere aquela atingida quando tensão terminal é nominal) é usualmente obtido através da variação da tensão terminal Vt.

Ø Controle de velocidade além do valor base é obtido através da diminuição da corrente de campo If.

Ø Se a corrente de armadura não exceder seu valor nominal, controle de velocidade além do valor base é restrito a aplicações que demandam potência constante.

mm

aa

aam

aaat

IE T

IET

IEIVP

ωω

ω

cte

Porém,

cte

= ×

=→

→=

≈==

As características de controle de tensão terminal Vt (operação torque constante) e controle de campo (operação potência constante) são mostradas no gráfico ao lado.

Portanto, ao se aumentar a velocidade, a partir da diminuição da corrente de campo If, o torque diminui.

ωm

P

ωbase ωmax

T

Controle por

Vt

Controle por If

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Vt e If

Ø Resumo:

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Ra

Ø Neste método de controle, a tensão terminal Vt e a corrente de campo If (Φ) permanecem constantes nos seus valores nominais, e a velocidade é controlada variando-se a resistência da armadura Ra.

Ø Para isso, insere-se uma resistência variável em série com a armadura, resultando em:

( )

( )26

5

65

2

vazioaevelocidadaéonde

:quetemos,constanteseVdoConsideran

Φ×

+ =

Φ× =

×−=

Φ

× Φ×

+ −

Φ× =

a

aea

a

t

m

t

a

aea

a

t m

K

RR k

K

V k

Tkk

T K

RR

K

V

ω

ω

Ø Portanto, a velocidade diminui linearmente com o aumento do torque.

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Ra

Ø Para torque fixo, Rae pode ser ajustada de forma que o motor possa girar em deferentes velocidades. Quanto maior Rae, menor a velocidade.

Ø Para torque variável, Rae pode ser ajustada para manter velocidade constante.

Ø A velocidade pode ser variada de zero até o valor base, considerando torque constante, através da variação da resistência Rae.

ωmωbase

T

Aumento de Rae

Ø Desvantagem: Controle discreto, baixa precisão e perdas adicionais em Rae. Além disso, uma vez que Rae é percorrida pela corrente de armadura, o seu custo é maior se comparado com a resistência externa do circuito de campo Rfc.

T

ωm

T3

Rae1 Rae2 Rae3

Rae|max

Rae = 0

ωcte

T2T1

Motor CC paralelo/independente – Controle de velocidade via Ra

Ø Resumo:

Próxima aula

1. MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

• Motor CC série

• Motor CC composto

• DPP – dispositivo de proteção e partida

Até o momento nenhum comentário
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 13 páginas