Aulas máquinas cc 2008

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Aulas máquinas cc 2008

  1. 1. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO • Máquinas de corrente contínua
  2. 2. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas GERADOR ELEMENTAR
  3. 3. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas GERADOR ELEMENTAR
  4. 4. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Regra da Mão Direita e = Blv F = Bli
  5. 5. MMááquinasquinas 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
  6. 6. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas GERADOR DC
  7. 7. MMááquinasquinas 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
  8. 8. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  9. 9. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Melhoria da forma de onda
  10. 10. MMááquinasquinas 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
  11. 11. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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 escovas varia entre ea (a 0º- fig. Ante- rior) e ea+ ed (a 45º - posição da figura ao lado)
  12. 12. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  13. 13. Luis PestanaLuis Pestana Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação
  14. 14. MMááquinasquinas 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 no curto-circuito “bobina-escovas” B=0
  15. 15. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  16. 16. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  17. 17. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Reacção do Induzido
  18. 18. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Reacção do Induzido • Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação
  19. 19. MMááquinasquinas 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 fem induzida total
  20. 20. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  21. 21. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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)
  22. 22. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  23. 23. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  24. 24. Luis PestanaLuis Pestana Tipos de Excitação Magnética Classificação
  25. 25. MMááquinasquinas 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
  26. 26. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Excitação de máquinas de Corrente Contínua
  27. 27. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  28. 28. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas • 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 Separada caracteristica interna (ou de vazio)
  29. 29. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Geradores de Excitação Separada Aplicações típicas •Tacógrafos •Tensão proporcional à velocidade de rotação •Amplificador (ampli-dínamo) •Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo
  30. 30. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  31. 31. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  32. 32. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  33. 33. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  34. 34. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  35. 35. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  36. 36. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  37. 37. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  38. 38. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Comparação de Características • Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.
  39. 39. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Associação de Geradores • Em série (para obter + tensão) • Em paralelo (para obter + corrente)
  40. 40. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  41. 41. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Associação de Geradores • Internamente Estável • Distribuição de carga – O de menor “queda interna” suporta + carga Paralelo de Dínamos tipo Shunt
  42. 42. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  43. 43. Luis PestanaLuis Pestana Motores de Corrente Continua Considerações Gerais
  44. 44. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  45. 45. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  46. 46. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua • No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador U > E’ E > U (U)(E)
  47. 47. Luis PestanaLuis Pestana Motores de Corrente Continua Características mecânicas
  48. 48. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  49. 49. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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)
  50. 50. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua 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
  51. 51. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua 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
  52. 52. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua 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=
  53. 53. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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 apenas depende da corrente no Induzido • O Binário Máximo é controlado limitando a corrente no Induzido T=k’.Ф.I
  54. 54. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua • 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
  55. 55. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas 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
  56. 56. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Curvas características
  57. 57. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Inversão do sentido de rotação
  58. 58. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Formas de variação de velocidade • Por variação de tensão • Por variação da resistência do induzido • Por variação de fluxo
  59. 59. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua • Sistema de variação de velocidade Ward-Leonard
  60. 60. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua • Controlo de velocidade
  61. 61. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Problemas de ventilação Característica real binário-velocidade
  62. 62. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Regimes de operação
  63. 63. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Funcionamento normal Frenagem Frenagem reostática (ou dinâmica)
  64. 64. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Funcionamento normal Frenagem por Contra - Corrente Frenagem
  65. 65. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores de Corrente Continua Frenagem • A contra – corrente é mais eficaz (menor tempo de paragem) • Reostática – mais utilizada, devido à simplicidade
  66. 66. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores especiais • Motor universal
  67. 67. MMááquinasquinas ElElééctricasctricas Motores especiais - Motor PCB escovas Espiras do rótor electroímanes

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