Aulas máquinas cc 2008
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
• Máquinas de corrente contínua
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR ELEMENTAR
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR ELEMENTAR
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Regra da Mão Direita
e = Blv F = Bli
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Bornes das Máquinas de Corrente Contínua
• Nomenclatura a utilizar nos enrolamentos de máquinas de corrente continua segundo a norma CEI 60034-8
Induzido A1 – A2
Pólos auxiliares ou de comutação
B1 – B2
Enrolamento de compensação
C1 – C2
Indutor série D1 – D2
Indutor paralelo E1 – E2
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR DC
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
PRODUÇÃO DE FEM ALTERNADA
• A fem induzida é por natureza alternada, só ficando continua após rectificação
• Gerador elementar AC (alternador) consistindo numa espira no rótor e 1 par de pólos no estátor– 1 par de anéis deslizantes onde
encostam 2 escovas estacionárias permite um circuito fechado de corrente para o exterior
– Pode-se ligar uma carga entre as escovas
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Diferenças entre Dínamos e Alternadores
• Os elementos dos Dínamos e Alternadores são semelhantes e montados da mesma forma– o principio básico de operação é também o mesmo
dado que temos um enrolamento a girar no meio de um campo magnético, e que produz uma femalternada.
• As máquinas apenas diferem na forma como os enrolamentos estão ligados ao exterior– um alternador utiliza anéis deslizantes– um dínamo utiliza um comutador
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Melhoria da forma de onda
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Melhoria da forma de onda
• Ao utilizarmos 4 bobinas, desfasadas fisicamente de 90º (4 ranhuras), e dividindo o comutador em 4 segmentos, melhora-se a forma da onda produzida– A tensão varia mas nunca se anula– As 4 bobinas são idênticas
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Melhoria da forma de onda
• As bobinas A e C (e de igual modo B e D) cortam as linhas de fluxo em sentidos contrários.– As polaridades de ea e ec (eb e ed) são portanto opostas– Em todos os instantes temos:
ea+eb+ec+ed= 0 o que significa que não temos corrente de circulação no enrolamento
– A fem captada nas escovasvaria entre ea (a 0º- fig. Ante-rior) e ea+ ed (a 45º - posiçãoda figura ao lado)
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FEM Induzida (E)
• Aumentando o nº de bobinas e de laminas, a fem “E”da máquina terá uma ondulação menor (< ripple).
• A fem induzida em cada condutor “e” depende da indução B e da velocidade de rotação
– Como a densidade de fluxocortado varia de ponto paraponto, a fem E depende daposição das bobinas em cadainstante
e = Blv
Luis PestanaLuis Pestana
Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Zonas Neutras• São zonas à superfície do rótor onde a Indução é nula
– Nas zonas neutras, não há fem induzida – As espiras são atravessadas por um máximo de fluxo, mas a
variação de fluxo a que estão sujeitas é nula.• As escovas, pressionam o colector, e quando em
contacto com as laminas da uma mesma bobina que passa na zona neutra:– curto-circuitam a bobina– Mas não há fem induzida na bobina
dado que não corta linhas de fluxo(nesse instante).
– Não há circulação de corrente nocurto-circuito “bobina-escovas”
B=0
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Zonas Neutras
• Se as escovas forem colo-cadas fora das zonas neutras– A fem induzida será menor– As escovas serão percorridas
por elevadas correntes de curto-circuito, causandochispas (faíscas)
• As escovas têm de ser colocadas naszonas neutras, porque:– O curto-circuito ocorre quando a
fem induzida nas espiras é nula– É nas zonas neutras que se capta + fem
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Zonas Neutras
• Em vazio– A linha neutra magnética está coincidente com a linha
neutra geométrica (a meio caminho entre os pólos)
• Em carga– A reacção do induzido desloca a linha neutra magnética.
• O deslocamento “α” é função da corrente no rótor
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Reacção do Induzido
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Reacção do Induzido
• Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
A REACÇÃO DO INDUZIDO
• A reacção do induzido provoca:– Saturação magnética
em certas zonas– Menor indução noutras– Em média a Indução B
é menor =>Menor feminduzida total
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EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA
• fem induzida mais forteem certas zonas deinfluência dos pólos (fluxoaditivo) do que noutras(fluxos opostos)
• A fem máxima da máquina deixade ser na linha neutra geométrica e passaa ser na linha neutra magnética
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Reacção do induzido
• Consequências– Se a máquina não está saturada (zona linear da curva de
magnetização) => A fem não se altera porque o fluxo éconstante (Ф = c.te)
– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada
– Elevação da tensão em laminas consecutivas do colectorjunto das zonas dos pólos em que há reforço do campo => chispas no colector
– Deslocamento da linha neutra: avanço (gerador)/ atraso (motor) => chispas no colector devido a curto-circuito de comutação
– Solução 1: deslocar as escovas da linha neutra geométrica para a linha neutra real (operação complexa – manobra correctiva)
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Formas de compensação da reacção do induzido
• Solução 2: neutralizar a reacção do induzido com enrolamentos de compensação– Condutores alojados em ranhuras nos pólos e ligados em série com o
circuito exterior– A corrente circula no enrolamento de compensação em sentido oposto ao
induzido provocando um campo de sentido oposto– Solução cara e aumenta as perdas no cobre => máquinas de elevada
potência• Solução 3: Pólos auxiliares
de comutação– Melhoram a comutação e eliminam
o deslocamento da linha neutra– São colocados na linha neutra
geométrica e ligados em série com o induzido
– Produzem campo magnético oposto ao do induzido
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Comutação
• É a troca de polaridade das espiras (em comutação) relativamente aos terminais da máquina– Ocorre no momento em que as
escovas tocam em duas laminasconsecutivas -> espiras em curto-circuito
– Há inversão do sentido da correntenas espiras (passagem das espirasde 1 via ou caminho para a viaseguinte).
• O efeito de auto indução atrasa o processo
e provoca:– arco eléctrico (má comutação) proporcional
à corrente do induzido– Deterioração de escovas e laminas do colector
• Solução: Pólos auxiliares de comutação– Induz na espira uma fem contrária à de auto-indução
tornando a inversão da corrente + linear => não há arco
Luis PestanaLuis Pestana
Tipos de Excitação Magnética
Classificação
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Excitação de máquinas de Corrente Contínua
•Tipos de excitação
•Auto-excitação •Excitação Separada
•Fonte externa •Imanes permanentes•Shunt •Série •Compound
•aditiva
•diferencial
•Hiper-compound
•Isso-compound
•Hipo-compound
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Excitação de máquinas de Corrente Contínua
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Geradores de Excitação Separada
• Utilizam-se electroímanesem vez de imanes perma-nentes para criar o campomagnético.– É necessária uma fonte
externa de alimentação, a que se dá o nome de excitação separada ou independente (baterias ou outro gerador)
Rx – reostato de campo
E0
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• Gerador em vazio, rótor a velocidade constante• É uma medida do acoplamento magnético
entre o estátor e o rótor• Idêntica à curva de magnetização
– Histerese– Saturação magnética– Magnetismo remanescente
Geradores de Excitação Separadacaracteristica interna (ou de vazio)
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Geradores de Excitação Separada
Aplicações típicas
•Tacógrafos
•Tensão proporcional àvelocidade de rotação
•Amplificador (ampli-dínamo)
•Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo
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Característica externa
U
Queda devido à reacção do induzido ε
Queda devido às resistências do induzido e de contacto das escovas com o colector
U=E-ri.I-ε-2ue
E – força electromotriz induzida
U – tensão aos terminaisri – resistência do induzido
ue- queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector
ε – queda de tensão devido à reacção do induzido
Excitação separada
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Gerador Shunt
Indutor em paralelo com o induzido(auto - excitação)– elimina a necessidade de fonte
externa.
Processo (cumulativo)de auto – excitação
•O fluxo remanescente induz uma pequena fem no induzido enquanto este roda
•A fem produz uma pequena corrente de excitação (Ix – na figura)•Esta, cria uma fmm e reforça o fluxo remanescente (aumenta)•O fluxo aumentado, cria + fem, e logo + corrente
•A fem cresce até estabilizar limitada pela saturação magnética e pelo valor do reóstato de campo
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Gerador Shunt
Obtém-se por regulação do reóstato de campo
Controlo da fem E0 do gerador Shunt
Controlo de Tensão
• A fem E0 em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela
resistência do circuito indutor
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Processo Cumulativo da auto - excitação
• Magnetismo remanescente• 1as correntes induzidas têm de reforçar
magnetismo remanescente– Ligações (bem efectuadas, não interrompidas)– Sentido de rotação
• Resistência de carga– Shunt (> que valor critico)– Série (< que valor critico)
CONDICONDIÇÇÕES DE ÕES DE EXCITABILIDADEEXCITABILIDADE
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Gerador Shunt
• Num gerador Shunt a tensão aos terminais “cai” mais rapidamente que num gerador de excitação separada– A corrente de excitação na
maq. de exc. Separada permanece constante e independente da carga
– A corrente de excitação numa máquina shunt é função da tensão aos terminais
– Cargas crescentes => U baixa => i excitação decresce (iexc decresce com a carga)
– Para um gerador em auto-excitação, a queda de tensão interna é cerca de 15%, num gerador de excitação separada não chega a 10% da tensão nominal
Característica externa
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Gerador Compound
• O gerador compoundé similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com autilização de um indutorsérie.– O indutor série é
composto por poucasespiras de fio grosso, dadoque vai ser percorrido pelacorrente do Induzido
– A resistência do indutorsérie é assim muito baixa
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Gerador Compound
• Em vazio, a corrente no indutor série é zero– Apenas o indutor shunt produz fmm e fluxo.
• Com o aumento de carga– A tensão aos terminais desce, mas como agora a corrente de carga atravessa o
indutor série:• Este produz + fmm e com o mesmo sentido do indutor Shunt.• O fluxo aumenta com o aumento de carga
Circuito equivalente
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Gerador Compound Diferencial
• No gerador compound diferencial, o campo criado pelo indutor série é de oposição ao do indutor shunt– Em carga, a tensão desce drasticamente,
relativamente ao valor de vazio– Aplicações típicas – soldadura– Limita a corrente de curto-circuito
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Comparação de Características
• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.
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Associação de Geradores
• Em série (para obter + tensão)• Em paralelo (para obter + corrente)
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Associação de Geradores
• O paralelo de Dínamos de tipo série é instável.– Para se poder efectuar o paralelo é necessário utilizar uma
barra de equilíbrio (compensação)• Esta barra tem de ser ligada do lado dos 2 indutores série (ver
figura à direita), de modo a que dê um reforço de corrente no indutor, em caso de falha momentânea
Paralelo de Dínamos tipo Série
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Associação de Geradores
• Internamente Estável
• Distribuição de carga– O de menor “queda interna” suporta + carga
Paralelo de Dínamos tipo Shunt
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Associação de Geradores
• A associação em paralelo de geradores de tipo compound, pela presença do indutor série, que traz instabilidade ao conjunto, necessita de barra de equilíbrio para se poder pôr a funcionar
Paralelo de Dínamos tipo Compound
Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Considerações Gerais
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Motores de Corrente Continua
• Máquinas versáteis na conversão electromecânica de energia
• Custos de aquisição e manutenção + elevados do que máquinas equivalentes AC– Têm especial aplicação quando se requer uma característica
Binário – velocidade de qualidade superior e com elevada eficiência numa gama alargada de velocidades.
– Em declínio a favor de VEV’s (ASD’s) associados a máquinas AC
Características principais
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Motores de Corrente Continua
• Velocidade variável, no fabrico do aço (laminadoras) e do papel (tracção), onde a capacidade de controlar a velocidade e o posicionamento são importantes
• Aplicações em tracção; ex: comboios eléctricos.– Momentaneamente operados como geradores para
frenagem eléctrica.
Aplicações principais
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Motores de Corrente Continua
• No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador
U > E’
E > U
(U)(E)
Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Características mecânicas
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Motores de Corrente Continua
• Os enrolamentos da armadura (induzido) e de campo (excitação) estão electricamente separados, e são alimentados por fontes distintas– Permite o controlo total da corrente de excitação e da
corrente da armadura
Excitação Separada
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Motores de Corrente Continua
• As características do motor shunt e de exc. Separada são idênticas se supusermos tensão de alimentação constante. (apenas se poupa 1 fonte com a máquina shunt)
Excitação Separada – característica de Binário - velocidade
Motor exc. separada Motor exc. Shunt Caracteristica mecânica de um motor de exc. Separada (ou shunt)
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U = E’ + Ri.I + εU = k.n.Ф + Ri.I + ε
Força Contra Electromotriz (E’)
φKIRiUn .−
=
U
• Velocidade “n” do motor:• Proporcional à tensão aplicada• Inversamente proporcional ao fluxo
por pólo
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Motores de Corrente Continua
A potência eléctrica étransformada em mecânica no InduzidoPeléctrica = E’.I = Pmecânica = T.ω
IKIKnInKIET .'.
.2..
..2...'. φ
πφ
πφ
ω====
Potência Transformada e Binário desenvolvido
T= k’.Ф.I
i
Uie
CeΩ
Cr
J
RLE
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Motores de Corrente Continua
Originando uma característica mecânica linear
Caracteristica mecânica
φKIRiUn .−
=de
TK
RiKU
KKTRi
KU .
)(
.
2'''
'
' φφφφ
φω −=−=
Podemos obter:
IKT ..' φ=
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Motores de Corrente Continua
• As Características Binário – Velocidade formam uma série de linhas direitas– Aumento de binário faz
descer a velocidade– Se Iexc= c.te, => (Ф= c.te),
então a velocidade apenasdepende da corrente no Induzido
• O Binário Máximo é controladolimitando a corrente no Induzido
T=k’.Ф.I
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Motores de Corrente Continua
• Os variadores de velocidade operam na zona de Indução Bnominal (joelho da curva de magnetização)– A Velocidade máxima obtém-se
por redução de fluxo• Reduz o binário
– A potência mecânica útil éaprox. constante na região de enfraquecimento de campo
– A queda de tensão na resistência do induzido torna-se mais significativa (pq há menos E’)
Enfraquecimento de campo
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Motores de Corrente Continua
• A velocidade máxima é limitada por considerações mecânicas– E também por uma maior dificuldade de comutação sem
faíscas• Usado com frequência em tracção eléctrica, em que:
– A baixa velocidade• O fluxo é mantido constante (elevado) e controla-se a tensão no
induzido, para binário máximo, consegue-se o máximo de aceleração e de frenagem
– a alta velocidade• Reduz-se o fluxo, com tensão de alimentação constante
(com consequente redução de binário)
Enfraquecimento de campo
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Motores de Corrente Continua
Curvas características
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Motores de Corrente Continua
Inversão do sentido de rotação
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Motores de Corrente Continua
Formas de variação de velocidade• Por variação de tensão• Por variação da
resistência do induzido• Por variação de fluxo
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Motores de Corrente Continua
• Sistema de variação de velocidade Ward-Leonard
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Motores de Corrente Continua
• Controlo de velocidade
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Motores de Corrente Continua
Problemas de ventilação
Característica real binário-velocidade
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Motores de Corrente Continua
Regimes de operação
MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Motores de Corrente Continua
Funcionamento normal
Frenagem
Frenagem reostática(ou dinâmica)
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Motores de Corrente Continua
Funcionamento normal Frenagem por Contra -Corrente
Frenagem
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Motores de Corrente Continua
Frenagem
• A contra – corrente émais eficaz (menor tempo de paragem)
• Reostática – mais utilizada, devido àsimplicidade
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Motores especiais
• Motor universal
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Motores especiais - Motor PCB
escovas
Espiras do rótor
electroímanes