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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

• Máquinas de corrente contínua


GERADOR ELEMENTAR


Regra da Mão Direita

e = Blv F = Bli


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


GERADOR DC


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


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


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



• 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)


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


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


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


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


Reacção do Induzido


Reacção do Induzido

• Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação


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


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


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)


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


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


Tipos de Excitação Magnética

Classificação


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


Excitação de máquinas de Corrente Contínua


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


• 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)


Geradores de Excitação Separada

Aplicações típicas

•Tacógrafos

•Tensão proporcional àvelocidade de rotação

•Amplificador (ampli-dínamo)

•Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo


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


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


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


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


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


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


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


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


Comparação de Características

• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.


Associação de Geradores

• Em série (para obter + tensão)• Em paralelo (para obter + corrente)



• 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



• Internamente Estável

• Distribuição de carga– O de menor “queda interna” suporta + carga

Paralelo de Dínamos tipo Shunt



• 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


Motores de Corrente Continua

Considerações Gerais



• 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



• 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



• No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador

U > E’

E > U

(U)(E)



Características mecânicas



• 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



• 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)



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



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



Originando uma característica mecânica linear

Caracteristica mecânica

φKIRiUn .−

=de

TK

RiKU

KKTRi

KU .

)(

.

2'''

'

' φφφφ

φω −=−=

Podemos obter:

IKT ..' φ=



• 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



• 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



• 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



Curvas características



Inversão do sentido de rotação



Formas de variação de velocidade• Por variação de tensão• Por variação da

resistência do induzido• Por variação de fluxo



• Sistema de variação de velocidade Ward-Leonard



• Controlo de velocidade



Problemas de ventilação

Característica real binário-velocidade



Regimes de operação



Funcionamento normal

Frenagem

Frenagem reostática(ou dinâmica)



Funcionamento normal Frenagem por Contra -Corrente

Frenagem



Frenagem

• A contra – corrente émais eficaz (menor tempo de paragem)

• Reostática – mais utilizada, devido àsimplicidade


Motores especiais

• Motor universal


Motores especiais - Motor PCB

escovas

Espiras do rótor

electroímanes

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