UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

UNIDADE CURRICULAR: ELETROTÉCNICA

PROFESSOR: RODOLFO ANTÔNIO RIBERO MOURA, MSC.

MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

Plinio Ricardo dos Santos

Thairony Ferreira

Victor Hugo Lisboa

João Marcos de Andrade

Mateus Rocha Soares

João Marcos

Henrique Baêta

São João Del Rei, junho de 2014.

Conteúdo1 - Introdução.........................................................................................................................................2

2 - Características...................................................................................................................................2

2.1 Componentes e funcionamento de um motor de corrente contínua...........................................2

2.1.1 – Componentes.....................................................................................................................2

2.1.2 – Funcionamento...................................................................................................................5

2.2 - Métodos de excitação................................................................................................................6

Excitação série:...............................................................................................................................6

Excitação shunt ou paralelo:...........................................................................................................7

Excitação independente.................................................................................................................7

Excitação composta........................................................................................................................8

2.3 - Controles de velocidade.............................................................................................................8

2.4 - Torque (Conjugado) em máquinas de corrente contínua.........................................................10

2.5 – Rendimento do motor de corrente contínua...........................................................................12

2.6 - Perdas.......................................................................................................................................12

2.7 - Métodos de frenagem..............................................................................................................13

2.8 - Seleção dos motores de corrente contínua..............................................................................13

2.9 – Vantagens e desvantagens de acionamentos em corrente contínua......................................14

3. Conclusões....................................................................................................................................15

4. Bibliografias..................................................................................................................................16

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1 - Introdução

A máquina de corrente continua é um dos três tipos básicos de máquinas elétricas, as

outras duas são, máquinas de indução e máquinas síncronas.

A máquina de corrente continua pode ser traduzida em uma máquina capaz de

converter energia mecânica em elétrica, sendo assim um gerador, ou fazendo a conversão de

energia elétrica em mecânica, sendo assim um motor.

Os motores de corrente continua são mais utilizados em grandes aplicações em

indústrias, devido as suas características que permitem variação de velocidade, como por

exemplo, uma esteira ou de um comboio. Também são bastante encontrados em aplicações

envolvendo eletrônica, isso falando de pequenos motores que podem ser encontrados em

gravadores, brinquedos, câmaras de vídeo, aparelhos de som, além de uma infinidade de

outros lugares. No entanto sua importância vem diminuindo uma vez que as máquinas de

indução e máquinas síncronas alimentadas por conversores estáticos permitem também a

variação de velocidade de forma muito mais eficiente.

2 - Características

2.1 Componentes e funcionamento de um motor de corrente contínua

2.1.1 – ComponentesO motor de corrente continua é basicamente composto por duas partes (estruturas

magnéticas):

Estator - enrolamento de campo ou imã permanente.

É a parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que assim então

possa girar internamente. Composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos

quais são enroladas bobinas que formam o campo, ou um imã permanente, que produzem um

campo magnético fixo para interagir com o campo de armadura.

Rotor – enrolamento de armadura.

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É a parte girante, montada sobre o eixo da máquina, é um eletroímã constituído de um

núcleo de ferro com enrolamentos em sua superfície que são alimentados por um sistema

mecânico de comutação. Tal sistema é composto por um comutador, que tem o proposto de

inverter a corrente de fase de rotação, o comutador possui uma superfície cilíndrica com

diversas lâminas as quais são conectados os enrolamentos do rotor. Além de escovas fixas,

que fazem pressão sobre o comutador e são ligadas a fonte de alimentação.

Figura 1 – (a) Desenho da máquina, e (b) Máquina de corrente contínua de 2 pólos, mostrando rotor (em cima) e

estator (em baixo).

Abaixo é mostrada uma figura onde se podem ver em maiores detalhes as partes

constituintes da máquina de corrente contínua:

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Figura 2 – Principais partes da máquina cc em detalhes.

1-carcaça

2- Pólo principal.

3 – Sapata polar.

4 – Enrolamentos de compensação

5 – Enrolamento de excitação principal.

6 - Enrolamentos de excitação auxiliar (opcional).

7 – Pólo de comutação.

8 - Enrolamento de comutação.

9 - Eixo.

10 - Núcleo do rotor.

11 - Comutador.

12 - Enrolamento de armadura.

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13 - Escova.

2.1.2 – FuncionamentoA figura abaixo representa o funcionamento de uma máquina de corrente contínua de

2 pólos.

Figura 3 – Princípio de funcionamento da máquina de corrente contínua.

Na figura acima se apresenta um desenho esquemático para o funcionamento da

máquina de corrente contínua, onde o estator é constituído por imãs permanentes e o rotor é

uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula corrente elétrica. Com a corrente

produzindo campos magnéticos, as bobinas se comportam como imãs permanentes, com os

pólos norte (N) e sul (S).

Na letra (A) a bobina esta na horizontal, e como os pólos opostos se atraem, é gerado

um torque que age no sentido a girar a bobina no sentido anti-horário, ela sofre aceleração

angular e continua seu giro para esquerda.

Em (B) o torque continua ate que os pólos da bobina alcancem os pólos dos imãs fixos

(estator).

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Em (C) a bobina já girou 90°, e não existe mais torque, pois a direção das forças passa

pelo centro de rotação, e o rotor esta em equilíbrio estável, ou seja, a força resultante é nula e

daí o torque nulo. Esse é o momento ideal para se inverter o sentido da corrente na bobina.

Nessa situação os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão então é

intensa. E devido a inércia do rotor e como a bobina já esta girando pra esquerda, ela continua

o seu giro em sentido anti-horário e assim com um novo torque ( propiciado pela força de

repulsão.

Em (D) continua o movimento para a manutenção e aceleração do movimento de

rotação.

Mesmo não estando ilustrado o movimento continua até os 360° e então se repete todo

o ciclo desde (A).

2.2 - Métodos de excitaçãoAs características dos motores são afetadas de acordo com o tipo de excitação que lhes

é usada. Assim citaremos os tipos de excitação abaixo.

Excitação série:

Figura 4 - Motor de corrente contínua excitação série.

Podemos citar como principais características:

As bobinas de campo estão em serie com o enrolamento de armadura

Só há fluxo no entreferro da maquina quando a corrente da armadura

for diferente de zero.

Conjugada é função quadrática da corrente, uma vez que o fluxo é

praticamente proporcional à corrente de armadura.

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Conjugado elevado em baixa rotação.

Potencia constante

Velocidade extremamente elevada quando o motor é descarregado, por

isso não se recomenda utilizar transmissões por meio de polias e correias.

Excitação shunt ou paralelo:

Figura 5 - Motor de corrente contínua excitação paralelo.

Podemos citar como principais características:

Velocidade praticamente constante.

Velocidade ajustável por variação da tensão de armadura.

Excitação independente

Figura 6 - Motor de corrente contínua excitação independente.

Podemos citar como principais características:

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Motor excitado extremamente pelo circuito de campo.

Velocidade praticamente constante.

Velocidade ajustável por variação da tensão de armadura e também por

enfraquecimento de campo.

São os motores mais aplicados com conversores CA/CC na industria.

Aplicações mais comuns: máquinas de papel, laminadores, extrusoras,

fornos de cimento, dentre outras.

Excitação compostaPodemos citar como principais características:

Enrolamento de campo independente.

Apresenta um fluxo mínimo mesmo com o motor a vazio.

2.3 - Controles de velocidadePara o controle de velocidade ilustraremos o circuito elétrico na figura abaixo, de onde

explicaremos o controle.

Figura 7 – Modelo de circuito elétrico do motor de corrente continua.

Pela lei de Kichhoff aplicada no circuito de armadura temos a seguinte relação:

Ua=Ra . Ia+Eeq .(1)

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Onde:

Ua = Tensão de armadura

Ra = Resistência da armadura

Ia = Corrente de armadura

E = Força Eletromotriz induzida ou Força Contra-Eletromotriz da armadura

E pela lei de Faraday podemos dizer que a força eletromotriz induzida é proporcional

ao fluxo e à rotação, ou seja:

E=K1 . ϕ .n eq .(2)

Combinando essas duas equações acima da lei de Kichhoff e lei de Faraday,podemos

chegar a forma de velocidade para a máquina de corrente continua, que é dada por:

n=k 1.Ua−Ra . Ia

ϕeq .(3)

Onde:

n = velocidade de rotação

k1 = constante que depende do tamanho do rotor, do número de pólos do rotor, e como

esses pólos são interconectados.

ϕ = fluxo no entreferro

Ainda admitindo que a queda na armadura seja pequena, consideramos Ra . Ia = 0,

assim a expressão de velocidade é reduzida a:

n=k 1.Uaϕeq .(4)

Pela fórmula podemos ver que a velocidade é proporcional a tensão na armadura e

inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.

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E ainda o controle de velocidade, até a velocidade nominal é feito através da variação

da tensão de armadura no motor e mantendo o fluxo constante. E podemos conseguir

velocidades maiores que a nominal diminuindo o fluxo e deixando a tensão de armadura

constante.

2.4 - Torque (Conjugado) em máquinas de corrente contínua

O conjugado é dado pela seguinte fórmula:

C=K 3 . Ia .ϕ eq .(5)

Onde:

C = conjugado eletromagnético do motor.

k3 = constante.

E como já mostrado no tópico acima o controle de velocidade até a rotação nominal é

feito através da variação da tensão de armadura e mantendo o fluxo constante. Assim se vê

que a corrente eleva transitoriamente, de modo a produzir o conjugado (torque) requerido pela

carga, mais o conjugado para aceleração.

Esse conjugado de aceleração incrementa a velocidade da máquina, e também a força

eletromotriz induzida aumenta. E ainda segunda a eq.(1) a corrente transitório cai ate um

ponto de equilíbrio que corresponde ao torque de carga exigido. Tal ponto de equilíbrio é

controlado pela tensão de armadura que é aplicada e também pela queda de tensão na

resistência da armadura. Caso o torque de carga seja constante, a máquina tentara supri-lo, e

sempre absorvendo uma corrente de armadura praticamente constante. Em casos de

aceleração de tensão, teremos transitoriamente um aumento de corrente para que se provoque

aceleração na máquina, porém após isso a corrente retornando ao seu valor original.

Podemos então dizer que no motor de corrente continua, opera-se com corrente de

armadura praticamente constante, e corrente que é determinada pela carga no eixo. Dessa

maneira, pela variação de tensão até a rotação nominal, o motor tem disponibilidade de

acionar uma carga com o torque constante em qualquer rotação de regime estabelecida.

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Na figura abaixo segue o gráfico das curvas características do motor de corrente

continua.

Figura 8 – Curva característica do motor CC.

Após a rotação nominal o controle de velocidade é feito variando-se o fluxo e

mantendo a tensão de armadura constante, por isso é denominada como zona de

enfraquecimento de campo.

Ainda pela eq.(4) vimos que para se aumentar a velocidade deve-se reduzir o fluxo. E

fazendo uma combinação entre as equações (4) e (6), chegamos a seguinte relação para o

conjugado:

C= k 4 .Ua . Ian

eq .(6)

Concluindo assim pela equação acima que após a rotação nominal, e como corrente e

tensão de armadura são constantes, o conjugado varia inversamente proporcional à rotação.

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2.5 – Rendimento do motor de corrente contínua

O rendimento do motor define sua eficiência com que é feita a transformação da

absorção de energia elétrica da linha e é transformada em energia mecânica disponível para o

eixo. Chamado potência útil (Pu) a potência mecânica disponível no eixo e potência absorvida

(Pa) a potencia elétrica que o motor retira da rede, teremos o rendimento definido pela

seguinte relação:

η=Pu(W )Pa(W )

=1000.P (KW )Ua . Ia

eq .(7)

Para o calculo de rendimento também são consideradas as perdas no motor, as quais

falarão abaixo.

2.6 - Perdas

As perdas são parte de potência gasta no funcionamento do motor, e assim o consumo

da energia esta diretamente relacionada com o valor dessas perdas. Dentre as perdas, uma

parcela varia com a carga e outra parcela é fixa. O motor de corrente contínua tem as mesmas

perdas que os outros motores, que são:

Perda no Ferro – Parte das perdas constantes, que são: Perdas por

Histerese e Focault (correntes parasitas).

Perdas no Cobre – Perdas Joule no estator e Perdas Joule no rotor.

Ambas variáveis com a carga.

Perdas Mecânicas – Perdas por atrito e perdas por ventilação. São

perdas constantes.

Perdas Adicionais – Perdas por efeito pelicular, por pulsação do fluxo

nos dentes, perdas devido a harmônicos de ordem superior, imperfeições e tolerâncias

construtivas. São perdas secundárias e assim de fácil determinação.

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2.7 - Métodos de frenagem Frenagem Dinâmica

Nesse tipo de frenagem, a energia cinética do rotor e da carga é dissipada em calor,

gerado pela resistência em paralelo com a armadura do motor. Ela não pode ser controlada,

sendo normalmente usada para paradas de emergência. Na frenagem dinâmica a corrente de

armadura diminui com a diminuição de velocidade durante a frenagem, e a corrente de campo

e o fluxo são mantidos constantes.

Frenagem Regenerativa

Na frenagem regenerativa a soma das energias cinética do rotor e da carga é devolvida

à rede CA por meio de um conversor de corrente trabalhando como inversor. Esse tipo de

frenagem é controlável, e é normalmente feita quando se necessita de uma frenagem que seja

comandada.

Frenagem Mecânica

É usada para a parada do rotor de forma continua, e é normalmente implementada

acoplando-se sistemas mecânicos de frenagem ao eixo do motor.

2.8 - Seleção dos motores de corrente contínua

Para que se tenha uma boa escolha do motor de corrente continua se é necessária a

correta especificação de alguns aspectos, como:

Potência nominal (KW).

Regime de serviço ou descrição do ciclo de trabalho.

Velocidade nominal (rpm).

Velocidade máxima com enfraquecimento de campo (rpm).

Velocidade mínima de trabalho (rpm).

Tensão de armadura (Vcc).

Tensão de campo (Vcc).

Fonte (CC pura com gerador ou bateria, conversor trifásico ou

monofásico).

Tensão da rede CA (corrente alternada).

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Freqüência da rede.

Grau de proteção da máquina ou especificações da atmosfera do

ambiente.

Temperatura ambiente.

Altitude.

Proteção térmica.

Sentido de rotação.

Sobrecargas ocasionais e momento de inércia da carga.

2.9 – Vantagens e desvantagens de acionamentos em corrente contínua

Dependendo da aplicação os acionamentos de corrente contínua são os que apresentam

os melhores resultados quanto a benefício, confiabilidade, operação amigável e dinâmica de

controle.

Vantagens:

Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos.

Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações.

Alto torque na partida e em baixas rotações.

Ampla variação de velocidade.

Os conversores CA/CC requerem menos espaço.

Confiabilidade.

Flexibilidade (vários tipos de excitação).

Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC.

Desvantagens:

Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de

indução, para a mesma potência.

Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores).

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Arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não

pode ser aplicado em ambientes perigosos).

Tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser

alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de corrente

alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus terminais.

Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas.

3. Conclusões

Pode ser ver o quanto são úteis a utilização dos motores de corrente continua, sendo

usadas em diversas aplicações, das quais algumas são de suma importância no meio industrial,

onde, por exemplo, o acionamento da mesma necessita uma ampla faixa de regulação de

velocidade, conjugados elevados e boa resposta dinâmica. Sendo que essas características

juntamente com a simplicidade dos modernos conversores de corrente contínua, fazem com

que o motor CC seja a opção mais adequada para algumas aplicações.

Além também poder ser uma máquina versátil na compensação de energia. Apesar do

seu custo também ser maior do que as máquinas de corrente alternada, ele fornece um melhor

controle de velocidade, sendo de qualidade superior e com elevada eficiência.

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4. Bibliografias

1. http://www.camacho.eng.br/MCC.htm

2. http://www.siemens.com.br/medias/FILES/2910_20060505141908.pdf

3. http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua

4. http://pessoal.utfpr.edu.br/oliveira/arquivos/MotoresCC.pdf

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