Máquinas Elétricas DC

MMááquinasquinas 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 fem
alternada.
• 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 escovas
varia entre ea (a 0º- fig. Ante-
rior) e ea+ ed (a 45º - posição
da 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 fluxo
cortado varia de ponto para
ponto, a fem E depende da
posição das bobinas em cada
instante
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 no
curto-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, causando
chispas (faíscas)
• As escovas têm de ser colocadas nas
zonas 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 fem
induzida total

EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA
• fem induzida mais forte
em certas zonas de
influência dos pólos (fluxo
aditivo) do que noutras
(fluxos opostos)
• A fem máxima da máquina deixa
de ser na linha neutra geométrica e passa
a 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 é
constante (Ф = c.te)
– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante =>
menor fem gerada
– Elevação da tensão em laminas consecutivas do colector
junto 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 laminas
consecutivas -> espiras em curto-circuito
– Há inversão do sentido da corrente
nas espiras (passagem das espiras
de 1 via ou caminho para a via
seguinte).
• 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 electroímanes
em vez de imanes perma-
nentes para criar o campo
magnético.
– 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
caracteristica interna (ou de vazio)

Aplicações típicas
•Tacógrafos
•Tensão proporcional à
velocidade 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 terminais
ri – 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 DEÕES 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 compound
é similar ao Shunt, mas
compensa a queda de
tensão interna com a
utilização de um indutor
série.
– O indutor série é
composto por poucas
espiras de fio grosso, dado
que vai ser percorrido pela
corrente do Induzido
– A resistência do indutor
série 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 + ε
U = k.n.Ф + Ri.I + ε
Força Contra Electromotriz (E’)
φK
IRiU
n
.−
=
U
• Velocidade “n” do motor:
• Proporcional à tensão aplicada
• Inversamente proporcional ao fluxo
por pólo

A potência eléctrica é
transformada em mecânica
no Induzido
Peléctrica = E’.I = Pmecânica = T.ω
IK
IK
n
InKIE
T .'.
.2
..
..2
...'.
φ
π
φ
π
φ
ω
====
Potência Transformada e Binário desenvolvido
T= k’.Ф.I
i
U
ie
Ce
Ω
Cr
J
R
L
E

Originando uma
característica mecânica
linear
Caracteristica mecânica
φK
IRiU
n
.−
=
de
T
K
Ri
K
U
K
K
T
Ri
K
U
.
)(
.
2'''
'
'
φφφ
φ
φ
ω −=−=
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 apenas
depende da corrente no Induzido
• O Binário Máximo é controlado
limitando a corrente no Induzido
T=k’.Ф.I

• Os variadores de velocidade
operam na zona de Indução B
nominal (joelho da curva de
magnetização)
– A Velocidade máxima obtém-se
por redução de fluxo
• Reduz o binário
– A potência mecânica útil é
aprox. 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 é
mais eficaz (menor
tempo de paragem)
• Reostática – mais
utilizada, devido à
simplicidade

Motores especiais
• Motor universal

Motores especiais - Motor PCB
escovas
Espiras
do rótor
electroímanes

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