Responda e justifique os itens abaixo relacionados às máquinas CC:
Como pode-se variar a velocidade em uma máquina CC?
Como pode-se variar a velocidade em uma máquina CC?
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar como se pode variar a velocidade em uma máquina de corrente contínua (CC) e justificar cada método.
Informações relevantes que vamos usar (tudo que a questão pressupõe): a máquina CC tem uma tensão aplicada na armadura, uma corrente na armadura e um fluxo de campo criado pelas bobinas de excitação; existe uma força contra-eletromotriz (f.c.e.m. ou tensão induzida) proporcional ao fluxo e à velocidade. Não há figura a analisar, a questão é conceitual / matemática sobre controle de velocidade.
Informações relevantes que vamos usar (tudo que a questão pressupõe): a máquina CC tem uma tensão aplicada na armadura, uma corrente na armadura e um fluxo de campo criado pelas bobinas de excitação; existe uma força contra-eletromotriz (f.c.e.m. ou tensão induzida) proporcional ao fluxo e à velocidade. Não há figura a analisar, a questão é conceitual / matemática sobre controle de velocidade.
Passo 2
Fórmulas fundamentais e explicação das variáveis (aulas básicas que você precisa entender):
A relação elétrica básica da armadura é:
A relação elétrica básica da armadura é:
onde:
-
é a tensão aplicada na armadura (em volts); -
é a força contra-eletromotriz (em volts); -
é a corrente da armadura (em ampères); -
é a resistência da armadura (em ohms).
A f.c.e.m.
é dada por:
onde:
-
é uma constante da máquina (depende de construção, número de espiras, etc.); -
é o fluxo por polo (em Wb); -
é a velocidade angular (em rad/s).
O torque eletromagnético (útil para ver efeitos sobre carga) é:
Explicando: o torque cresce com corrente de armadura e com o fluxo por polo; a f.c.e.m. cresce com fluxo e com velocidade.
Passo 3
Isolando a velocidade teremos a expressão que vamos usar para mostrar os efeitos:
Partindo de , isolamos
:
Partindo de
Esta fórmula diz, em palavras: a velocidade (para uma dada carga que define
) aumenta se aumentarmos
ou reduzirmos
ou reduzirmos
. Agora vamos usar essa expressão para justificar cada método prático de controle de velocidade.
Passo 4
Método 1 — variar a tensão de armadura (
): explicação e implicações
- Pelo resultado anterior, se mantivermos
e praticamente constantes, um aumento de aumenta (a velocidade) e uma diminuição de reduz . - Em máquina CC separadamente excitada ou em derivação (shunt), controlar
é um método direto e preciso. - Dispositivos práticos: fontes ajustáveis, reostatos (antigos) ou, melhor, conversores eletrônicos (choppers / PWM) que variam eficientemente a tensão média aplicada na armadura.
- Observação sobre torque e carga: para uma mesma carga (mesmo
), tende a se ajustar; em regime estável o aumento de permite que a f.c.e.m. aumente e, portanto, a velocidade suba até um novo ponto de equilíbrio. - Quando usar em prova: lembre-se que controle de
é ótimo para controlar velocidades ao redor da velocidade base (abaixo ou um pouco acima, dependendo do projeto).
Passo 5
Método 2 — variar o fluxo de campo (
) (campo fraco / campo forte): explicação e implicações
- Da expressão
, reduzir (campo enfraquecido) aumenta ; aumentar reduz . - No limite de pequeno
(por exemplo, em vazio), temos , ou seja, velocidade inversamente proporcional ao fluxo. Exemplo rápido: se for reduzido pela metade, a velocidade tende a dobrar (cuidado com limites seguros e com torque disponível). - Efeito no torque: como
, reduzir reduz o torque disponível para a mesma corrente . Portanto, o controle por campo é usado tipicamente para obter velocidades acima da velocidade base (região de enfraquecimento de campo) quando a potência é limitada — normalmente em aplicações que exigem alta velocidade mas torque menor. - Dispositivos práticos: variar a corrente de excitação (em máquinas shunt ou separadamente excitadas) com um potenciômetro ou controlador de corrente no circuito de campo; em prática usa-se um chopper no circuito de campo para controle eficiente.
- Limitações: não dá bom controle de baixa velocidade com carga, e reduzir muito
pode causar saturação, instabilidade e perda de torque.
Passo 6
Método 3 — inserir resistência na armadura (
efetiva): explicação e implicações
- Se aumentarmos a queda
(por exemplo, colocando um reostato em série com a armadura), a diferença diminui, logo diminui. Portanto é um método para reduzir velocidade. - Vantagem prática histórica: simplicidade; usado em arrancadores e para controle em motores pequenos sem eletrônica.
- Desvantagem: grande dissipação de potência (perdas
), má eficiência e aquecimento; como é indesejável para operação contínua, hoje é usado apenas para partida ou ajustes provisórios. - Em prova: diga que varia-se
para reduzir velocidade (ou limitar corrente de partida), mas mencione suas perdas e ineficiência.
Passo 7
Outros métodos, comentários práticos e controle eletrônico moderno
- Mudança do número de polos / engrenagens: alterar
(número de polos magnéticos) ou usar caixas de redução/multiplicação altera a velocidade mecânica útil; na prática, trocar polos é impraticável em serviço, então usa-se transmissão mecânica (engrenagens, polias). - Controle eletrônico moderno: controladores por tiristores (retificadores controlados), conversores DC-DC tipo chopper, PWM e drives eletrônicos permitem controlar com precisão
e até o circuito de campo, com alta eficiência e respostas dinâmicas. Em prova, citar chopper/PWM como formas modernas de controlar e é esperado. - Observação sobre tipos de máquinas: em motor série a relação entre corrente e fluxo torna o comportamento diferente (velocidade pode variar muito com carga); em motor shunt ou separadamente excitado os métodos acima funcionam conforme explicado com maior previsibilidade.
Passo 8
Resumo físico-intuitivo para decorar e usar na prova (jeito prático de lembrar)
- A velocidade cresce se: aumentarmos
ou diminuirmos (quando não domine). - A velocidade diminui se: diminuirmos
, aumentarmos (maior queda de tensão na armadura) ou aumentarmos . - Sempre lembre das consequências no torque: variar
muda torque disponível por corrente; variar gera perdas; variar é geralmente o melhor para controle fino. Use a fórmula
na prova para justificar efeito quantitativo.
Resposta
Variação da tensão de armadura (
) — ex.: controle por chopper/PWM.
Variação do fluxo de campo ( ) — campo fraco/forte (alterando corrente de excitação).
Inserção de resistência na armadura ( ) — reostato em série (usado em partida/ajuste, ineficiente).
Mudança do número de polos ou uso de transmissão mecânica (engrenagens/polias).
Controle eletrônico avançado (conversores DC-DC, tiristores, drives) que atuam sobre e/ou sobre o circuito de campo.
Variação do fluxo de campo (
Inserção de resistência na armadura (
Mudança do número de polos ou uso de transmissão mecânica (engrenagens/polias).
Controle eletrônico avançado (conversores DC-DC, tiristores, drives) que atuam sobre