Acetatos sobre maq dc melec_0607

MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA
GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA – DÍNAMOS
Designam-se por dínamos os geradores rotativos de corrente contínua cujo funcionamento é
baseado nos princípios da indução electromagnética.
Como já sabemos, é possível gerar electricidade deslocando um condutor através de um
campo magnético.
Aqui reside o princípio de funcionamento de qualquer gerador, desde o mais pequeno até aos
grandes geradores das centrais que produzem milhares de MW.
A melhor forma de compreender o seu funcionamento parte do estudo de um gerador
elementar…
Para tal, vamos recorrer a algumas imagens e rever alguns conceitos já referidos anteriormente.

Vamos voltar mais uma vez aos conceitos básicos do electromagnetismo…
Já vimos que um condutor que se desloque dentro de um campo magnético constante e uniforme
vai ser sede de uma F.E.M. induzida, cujo sentido será dado pela regra da mão direita.
Se o condutor constituir um circuito fechado, nele circulará uma corrente, cujos efeitos tenderão a
opor-se à causa que originou o fenómeno.
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A figura onde se ilustra a Lei de Lenz mostra-nos que a distorção provocada pela corrente no
condutor que é puxado para cima por uma “máquina” externa, tende a repelir as linhas de força do
campo magnético acima do condutor e a atrair as linhas de força abaixo deste. Diz-se que a
corrente induzida produz um campo magnético que se opõe ao movimento que lhe deu origem.
Veremos que este efeito tem, no caso de se tratar de uma espira, um perfil de “binário resistente”,
logo, sentido mecanicamente no gerador e opondo-se à maquina que roda a espira. Neste caso,
opõe-se à máquina que desloca o condutor.
Já vimos que um condutor percorrido por uma corrente, quando mergulhado num campo
magnético, constante e uniforme, vê agir sobre ele uma força, desde que haja uma componente do
comprimento activo do condutor que seja perpendicular ao campo. [NOTA: condutor activo é
aquele que cortando as linhas de força do campo magnético sofre indução de F.E.M.]
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Se agora em lugar de deslocarmos o condutor submetido ao campo magnético, o alimentarmos
com uma dada corrente, veremos, pelo que já foi dito, agir sobre ele uma força electromagnética,
que dependerá da indução B à qual o condutor se encontra sujeito, do comprimento do condutor
que corta as linhas de força e da intensidade da corrente que o percorre.
F il B= ×
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A compreensão do funcionamento do dínamo (gerador de corrente contínua) e do motor de
corrente contínua depende da compreensão clara destes fenómenos que “andam a par”.
Se no funcionamento do gerador temos um efeito mecânico oponente ao do movimento fornecido,
no funcionamento como motor teremos um efeito de reacção electromagnética. Iremos ver isto
com mais pormenor à medida que o nosso estudo avance.
Para resumirmos ideias, no gerador é desejável conhecer os sentidos da FEM e da corrente
induzidas. No motor é desejável conhecer o sentido de rotação em função das grandezas eléctricas
e consequentemente magnéticas em jogo.
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Se pensarmos em termos de uma espira (máquina elementar…)
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Vamos ver o que acontece se pusermos uma espira a rodar no seio de um campo magnético…
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Atenção a um pormenor, a FEM induzida e o fluxo, embora sinusoidais, não estão em fase!
e
t
φΔ
= −
Δ
Vamos recordar o porquê de uma FEM estar sempre em atraso de 90º relativamente ao fluxo que
lhe dá origem.
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A máquina elementar que permite obter uma FEM alternada e sinusoidal corresponde à figura
seguinte:
Para termos uma saída não alternada…
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Com a substituição dos dois anéis por dois semi-anéis:
Se em lugar de termos pólos indutores rectos tivermos expansões polares adaptadas, que
acompanham a linha curva do rotor:
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Poderemos ver com mais algum pormenor o que sucede:
(Nota: a expansão polar apresentada não produz exactamente o tipo de forma de onda do gráfico.)
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Se aumentarmos o número de espiras:
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CONSTITUIÇÃO DE UM DÍNAMO – ASPECTOS CONSTRUTIVOS
• Circuito magnético: é constituído pelos elementos percorridos pelas linhas de fluxo do
campo magnético. A saber:
o Carcaça: é o elemento base do gerador; serve de suporte às outras peças; tem função
magnética na medida em que serve para completar o circuito magnético entre as peças
polares. A sua forma é cilíndrica e é constituída por material de grande permeabilidade
(aço vazado).
o Peças polares: constituídas por grande número de chapas finas de ferro ou aço; formam
um conjunto que se fixa à carcaça por meio de parafusos. Estas peças servem de suporte
às bobinas indutoras e destinam-se a concentrar o campo magnético. Podem ser
totalmente laminadas, podem sê-lo apenas da zona da expansão polar ou podem mesmo
surgir máquinas mais antigas ode o pólo é inteiramente maciço.
o Armadura ou induzido: Conjunto de chapas de material magnético montada num veio
e cuja periferia é formada por dentes e ranhuras ou cavas. As chapas são isoladas entre si
para reduzir pcF e servem também de suporte ao enrolamento do induzido sendo este
montado nas ranhuras ou cavas.
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o Entreferro: Espaço de ar existente entre a superfície das peças polares e a armadura.
Não pode ser demasiado grande para não se dar uma grande dispersão de fluxo, nem
demasiado pequeno para não se correr o risco de das peças móveis roçarem com as peças
fixas da máquina.
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• Circuitos eléctricos: circuito do induzido e circuito do indutor.
o O circuito do induzido é constituído por
Conjunto de bobinas colocadas nas ranhuras da armadura
Colector de lâminas
Escovas
É no enrolamento do induzido que são induzidas FEM’s…
O colector é feito de lâminas de cobre (isoladas entre si - micanite) enchavetadas
numa peça metálica fixada ao veio.
É a estrutura de lâminas do colector que permite a obtenção de grandezas de saída
contínuas no tempo…
Escovas: captam do colector a FEM e conduzem-na ao exterior, aos terminais do
gerador…
As escovas são, sobretudo, de carvão de alta qualidade, mais ou menos grafitado…
Em geradores de pequena tensão as escovas podem ser de metal ou de um
composto metal/carvão…
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o O circuito do indutor:
Constituído pelas bobinas indutoras que são montadas nas peças polares. Estas
bobinas indutoras são montadas nas peças polares constituindo electroímanes que
criam o campo magnético indutor.
Dependendo da corrente tensão (logo do tipo de excitação que se venha a usar no
dínamo) terão espiras e secções variáveis consoante o tipo de circuito de excitação
que venham a servir. É usual denominar a corrente que percorre o indutor de
corrente de excitação.
Por motivos que veremos quando estudarmos as diferentes excitações de um
dínamo, agora diremos apenas que o enrolamento indutor para excitação shunt ou
derivação terá muitas espiras de fio fino. Para o caso de uma excitação série,
teremos poucas espiras de fio com secção elevada.
Veremos igualmente que a máquina, dispondo dos dois tipos de enrolamento
indutor permite o seu uso conjunto, com as ligações apropriadas, de modo a facultar
uma excitação composta ou mista.
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Regressemos agora ao circuito do induzido. Poderemos ter dois tipos básicos de enrolamentos de
induzido:
Em anel
Em tambor
O primeiro praticamente não é usado; o enrolamento é executado passando pelo interior do núcleo
do induzido. Tem problemas no arrefecimento dos condutores no interior, só tem um lado activo
por espira; a bobinagem é manual. Só tem a vantagem de apresentar baixas tensões entre bobinas
contíguas face ao outro tipo de enrolamento.
O segundo é aquele que se usa. Apresenta dois condutores activos por espira; bobinagem é
mecanizável: bobinas executadas fora e posteriormente encaixadas/montadas nas ranhuras do
induzido. O único ponto menos favorável reside no caso das máquinas de grande potência pois as
tensões entre espiras são elevadas podendo trazer problemas de isolamento.
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A bobina é constituída por secções que por sua vez comportam de uma a várias espiras. As
espiras estão isoladas entre si. O mesmo ocorre com as secções, também elas isoladas entre si.
A bobina, por fim, surge revestida de um isolamento que agrupa as diferentes secções que a
constituam.
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O nº de bobinas é igual ao nº de ranhuras e representa-se por b.
Em cada ranhura estará um lado de ida de uma bobina e um lado de volta de outra bobina.
O nº de secções é igual ao nº de lâminas do colector e representa-se por n.
A cada lâmina do colector vão ligar dois extremos de secções diferentes. Donde o número de
lâminas é igual ao número de secções.
Via é o caminho eléctrico entre escovas de polaridade contrária. (É sempre par!) Designa-se
par de vias pela letra a. A multiplicidade do enrolamento fica definida pelo número de vias
em paralelo que existam entre escovas de nome contrário. Designa-se pela letra m.
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Passos
o Passo de secção (y1): distancia entre dois lados de uma mesma secção
o Passo de ligação (y2): distância entre o último lado de uma secção e o próximo da
secção electricamente seguinte
o Passo resultante (y): distância entre dois lados correspondentes de duas secções
electricamente contíguas.
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Os enrolamentos em tambor dividem-se em enrolamentos imbricados e enrolamentos ondulados.
A figura seguinte pretende dar uma ideia de cada um desses tipos de enrolamento. (À esquerda o
imbricado e à direita o ondulado).
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Imbricado
Ondulado
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BREVE RESUMO DA APLICAÇÃO DOS DIFERENTES TIPOS DE ENROLAMENTOS DO
INDUZIDO
ENROLAMENTOS IMBRICADOS
• Geradores com velocidades elevadas
• Correntes mais elevadas
• Tensões mais baixas
Os enrolamentos imbricados possuem sempre um maior número de vias em paralelo
relativamente aos ondulados; dependem do número de pólos da máquina.
ENROLAMENTOS ONDULADOS
• Correntes mais baixas
• Tensões mais elevadas
Os enrolamentos ondulados simples são usuais em dínamos até 500A e em motores para tracção
eléctrica. Os ondulados múltiplos aparecem em máquinas de grande potência.
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ANÁLISE DO FUNCIONAMENTO DO DÍNAMO – CAMPOS MAGNÉTICOS. EFEITOS
IMPORTANTES; PROBLEMAS E SOLUÇÕES
Vamos ver como se distribuem os
campos do indutor e do induzido,
tratando com especial atenção o
fenómeno da reacção magnética do
induzido. Veremos também como é
possível minimizar os efeitos negativos
dessa reacção.
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REACÇÃO DO INDUZIDO E COMUTAÇÃO
Antes de mais vamos definir linha neutra: é a linha (geométrica) em que é nula a FEM da
espira que por ela passa, sendo máximo o fluxo
através da espira.
COMUTAÇÃO: mudança de sentido da FEM induzida em cada espira durante o seu
movimento de rotação.
Quando uma espira passa pela linha neutra, dá-se uma inversão do sentido da FEM induzida
em cada um dos seus condutores. A posição das escovas deve ser tal que faça contacto com as
lâminas de cada espira (lâminas ligadas aos terminais da espira), no momento em que a espira
passa na linha neutra, de modo a evitar faíscas e arcos eléctricos (entre lâminas e escova) que
se formariam caso as escovas fossem colocadas noutra qualquer posição…
A comutação de lâminas deve ser feita quando a FEM induzida é nula para evitar o
aparecimento de arcos eléctricos, por auto-indução, que degradem o colector.
Com a máquina em carga, surge a reacção do induzido que vai provocar a distorção do campo
magnético indutor. Assim sendo, a linha neutra, que em vazio se encontrava na vertical, [ver
figura], vai sofrer uma “rotação” de um determinado ângulo face à posição inicial.
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O ângulo que a linha neutra faz relativamente à sua posição inicial é o denominado ângulo de
calagem. (Notar que a linha neutra real continua a estar perpendicular às linhas de força!)
Será então necessário que a comutação seja feita tendo em conta este deslocar da linha neutra.
Para tal há que posicionar as escovas de outro modo. As escovas são então deslocadas de um
ângulo igual ao ângulo de calagem e no sentido de rotação do rotor.
Ao deslocar das escovas para a nova posição da linha neutra é costume chamar-se:
Calagem das escovas
Se para cada valor da corrente de induzido se verifica uma determinada distorção do campo
indutor por acção do campo de reacção do induzido, então é fácil concluir que a cada “valor”
de distorção irá corresponder um determinado valor de ângulo de deslocação de linha neutra.
Como é também fácil de imaginar, não é possível estar a efectuar a calagem de escovas a cada
valor de corrente de induzido quando um dínamo funciona em regime de carga variável!
Poderemos minorar o problema recorrendo a :
• Enrolamentos de compensação
• Pólos auxiliares de comutação
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• Enrolamentos de compensação
O enrolamento de compensação não é mais do que bobinas colocadas em cavas abertas nas
peças polares. É ligado em série com o induzido de forma a que o campo magnético por si
produzido tenha sentido contrário ao do campo devido à reacção do induzido.
• Pólos auxiliares de comutação
Estes pólos (n,s) são montados no circuito magnético, sobre a linha neutra, de tal forma que a
seguir a um pólo indutor N se encontre um pólo auxiliar s e a seguir a um pólo indutor S se
encontre um pólo auxiliar n. Estes pólos são mais pequenos que os pólos principais e são
constituídos por enrolamentos de poucas espiras e fio de grande secção, ligados em série com
o induzido de forma a criarem um campo magnético de sentido contrário ao do induzido.
Só as máquinas DC de grande potência é que possuem enrolamentos de compensação…
Mesmo assim, o colector de uma máquina DC sofre sempre uma degradação que obriga à sua
rectificação de tempos a tempos! Operação delicada e cara nos dias de hoje…
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EXCITAÇÃO DE GERADORES. TIPOS DE EXCITAÇÃO.CARACTERÍSTICAS DE
FUNCIONAMENTO
Excitação: o circuito indutor é percorrido por corrente, criando o campo magnético
necessário à indução de fem.
Os modos de excitação subdividem-se em:
• Excitação separada ou independente
• Auto-excitação
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Geradores com excitação separada.
Nos geradores deste tipo, o circuito de excitação é alimentado por uma fonte de corrente
contínua externa, (outro dínamo; baterias; rectificadores de potência…), independente do
gerador, onde a corrente i não depende do referido gerador.
Têm como vantagem o permitir controlar o sentido da corrente no indutor e
consequentemente a polaridade do gerador, bem como não haver afectação do valor de
corrente e tensão do circuito indutor devido a variações no dínamo, uma vez que é
independente do mesmo. São apenas usados quando se pretende efectivamente mudar com
frequência a polaridade do gerador uma vez que tal circuito vai obrigar à existência de um
outro gerador ou fonte dc. São igualmente os geradores preferenciais para situações em que
se prevejam fortes variações de carga…
I
-
+
G Cargai
Rexc
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Geradores auto-excitados.
Têm a vantagem de não necessitarem de uma fonte de energia dc exterior para gerarem FEM. Isto
tem por base o facto dos pólos da máquina, ao serem de material ferromagnético e tendo
trabalhado apenas uma vez, acumularem um certo magnetismo remanescente. Fazendo girar o
induzido, o campo existente, se bem que muito fraco, dá lugar a uma variação de FEM’s no
induzido. Estas FEM’s produzem uma corrente que atravessa o enrolamento indutor e se o fluxo
magnético se somar ao magnetismo remanescente, o fenómeno vai progredir até se estabelecer o
equilíbrio.
Há três tipos básicos de geradores de auto-excitação:
a) Geradores série
b) Geradores shunt ou derivação
c) Geradores compostos ou compound
Esta classificação é definida de acordo com a forma segundo a qual as bobinas indutoras são
ligadas ao circuito do induzido.
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Excitação série: indutor em série com induzido
Excitação shunt: indutor em paralelo com induzido
Excitação compound: O indutor principal está dividido em duas partes independentes, onde
uma está em série com o induzido e a outra em paralelo com este.
-
+
G I Carga
Indutor
shunt
Rexc
-
+
G I Carga
Indutor
sérieRexc
-
+
G I Carga
Indutor
série
Indutor
shunt
Rexc
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Condições para o dínamo funcionar em auto-excitação.
• O circuito magnético tem de ter um certo magnetismo remanescente.
• A corrente que vai circular no indutor deve ter um sentido tal que o campo magnético
originado reforçe o magnetismo remanescente.
• Se for um dínamo série: se o circuito estiver aberto o dínamo não excita…
• Se for dínamo shunt: não pode estar em curto-circuito …(corrente passa
preferêncialmente pelo curo-circuito em vez de passar no indutor; logo não reforça mag.
remanescente, logo não excita).
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FEM gerada num dínamo.
O valor da FEM induzida num condutor que se desloca a uma dada velocidade no
interior de um campo magnético, depende do valor desse campo e da velocidade com
que o condutor se desloca.
E = KΦN
Onde:
• E: FEM induzida
• K: constante para cada máquina e que depende do nº de condutores do induzido, tipo de
enrolamento e nº de pares de pólos da máquina.
• Φ: fluxo do campo magnético.
• N[rot/s]: velocidade (neste caso, de rotação), com que o condutor se movimenta face ao
campo magnético.
Podemos concluir:
• Para uma velocidade constante, a FEM gerada no induzido é directamente proporcional ao
fluxo.
• Para um fluxo constante, a FEM gerada é directamente proporcional à velocidade.
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EXPRESSÃO SIMPLIFICADA DA F.E.M. – E=KNΦ
A obtenção de uma expressão simplificada, como o termo indica, supõe o assumir de algumas
simplificações à priori. Assim, admite-se que:
• Os pólos não têm qualquer espaço entre si, estando totalmente encostados
• O campo por pólo é constante
• A indução proporcionada tem variação instantânea quando se dá a passagem de um pólo a um
outro seguido e de nome contrário.
Definiu-se igualmente que:
• E = F.E.M. do dínamo, gerada pelo nº de condutores activos por via
• e = F.E.M. induzida num condutor activo
• Z = nº total de condutores activos da máquina
• 2a = nº total de vias (ver acetatos anteriores…)
• Donde, Z/(2a) = nº de condutores activos por via
Assim, podemos escrever:
Z
E = e
2a
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Recordemos, agora, o caso de um condutor rectilíneo de comprimento l, que se desloca com uma
velocidade de translação v sobre um outro condutor disposto em forma de U, e estando o conjunto
mergulhado num campo magnético B, perpendicular, constante e uniforme.
O condutor que ao deslocar-se, corta as linhas de fluxo do campo magnético. Surge assim uma
F.E.M. induzida no circuito bem como uma corrente induzida pois o condutor assegura o fecho do
circuito.
Qual o valor da F.E.M. induzida? e=Blv
Aplicando o mesmo princípio aos condutores em rotação e sabendo que a velocidade angular se
obtém de: v = ωr com ω = 2πN [N em rot/seg; ω em rad/seg]
Ai
V
B
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Susbtituindo…
Z Z Z Z
E = e = B = Bl = Bl2
2a 2a 2a 2a
lv r Nrω π
Seja A a superfície referente a um pólo e Φ o fluxo respeitante a cada pólo, a expressão da indução
sob cada pólo fica: B=
A
Φ
Uma vez que
sup. lateral de cilindro D
A = =
nº de pólos 2p
lπ
onde D representa o diâmetro, obteremos para
expressão final de B a expressão dada por:
2p
B =
Dlπ
Φ
Substituindo na equação da F:E:M:
Z Z Z 2p Zp
E = B 2 = B = =
2a 2a 2a a
l Nr l ND l ND N KN
Dl
π π π
π
Φ
Φ = Φ
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CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO
As características de funcionamento de uma máquina são curvas que relacionam uma
qualquer grandeza com outra grandeza, supondo que as restantes se mantêm
constantes.
Grandezas :
• U: tensão aos terminais
• E: FEM em carga
• E0 = FEM em vazio
• I: corrente de carga
• Ie ou i: corrente de excitação
• N ou n : velocidade de rotação
O estudo das características é importante para o estudo da estabilidade de funcionamento como
para o estudo de associação de máquinas.
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Principais características:
Característica em vazio
E0 = f(i) com n=const; I=0
Característica de quedas de tensão
E0-U = f(I) com n=const; i= const.
Característica de regulação
i = f(I) com n=const; U= const.
Característica em carga
U = f(i) com n=const; I= const.
Característica Externa
U = f(I) com n=const; i= const.
Para algumas características, além da sua obtenção por processo experimental, também é possível
a sua obtenção, com base em outras características, por intermédio de um processo de construção
gráfica, como veremos adiante.
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DÍNAMO COM EXCITAÇÃO SEPARADA
Característica interna ou característica em circuito aberto ou característica de vazio ou
característica de excitação...
Esta característica relaciona a FEM em vazio com a corrente de excitação para um valor
constante de velocidade.
E0 = f(Ie) com I=0 e n=constante
E0 = KNΦ com N em rot/s.
O aspecto da curva é dado pela figura ao lado:
Obtém-se sempre com excitação separada
ainda que o dínamo venha posteriormente
a trabalhar com auto-excitação. (Nota: a corrente
não muda de sentido, só varia de intensidade…)
Não há proporcionalidade entre B e H
visto que se relacionam pelo ciclo
histerético. Mas há proporcionalidade
entre as restantes grandezas…
E0
Ie ou i
i H B Φ E0
~ ~ ~
B = µH∑Hl = Ni Φ = BA E0 = KNΦ
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Característica externa – dínamo com excitação separada:
Esta característica relaciona a tensão U nos terminais com a corrente de carga I para uma
corrente de excitação Ie (ou i) constante bem como velocidade constante.
U=f(I) com n=const e Ie = const
A excitação é separada e apresenta sempre um valor constante (Ie ou i) a que corresponde
uma FEM E0. Com a passagem da corrente I no induzido, vão verificar-se quedas de tensão,
pelo que a tensão aos terminais da máquina será a diferença entre a FEM em vazio e as
quedas de tensão verificadas. O andamento é rectilíneo até ao momento em que devido à
saturação se dá o aparecimento de uma curva.
Esta característica é da maior importância pois indica-nos o comportamento do dínamo
perante variações de carga, na ausência de regulação da máquina para compensar essas
variações.
O valor de I quando U = 0 é o chamado valor
da corrente de curto-circuito e é um valor
muito elevado, bastante superior ao valor
nominal...
U
I
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Característica de quedas de tensão – dínamo com excitação separada:
Sempre que há corrente a percorrer o circuito do induzido, dá-se uma queda de tensão
devido à resistência do enrolamento e uma outra devido a um fenómeno magnético produzido
pela passagem de corrente no induzido que vai provocar uma diminuição do campo indutor e
que é a já referida anteriormente reacção do induzido!
E0 – U = f(I) para n=const e Ie = const.
O aspecto desta característica é: E0 - U
I
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Característica de regulação – dínamo com excitação separada:
Nesta característica relaciona-se a corrente de excitação com a corrente de carga para um dado
valor de tensão U aos terminais e uma dada velocidade, ambos a serem mantidos constantes.
Esta característica pode ser obtida por processo gráfico, conforme se ilustra na figura abaixo.
O ponto de partida será para I=0 donde U=E0, E0 este, ao qual corresponde um dado i referido
na fig. como i0. Em seguida vemos qual a queda correspondente a E0-U = x. Soma-se x a
U=E0 (valor em vazio) e obtem-se E01. Acha-se o i1 que corresponde à corrente de carga I que
provocou a queda x. Repete-se o processo para outros valores de queda…
Ie = f(I) para n=const e U=const
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Característica de carga – dínamo com excitação separada:
Nesta característica relaciona-se a tensão U aos terminais do dínamo com a corrente de
excitação i (ou Ie) para um dado valor de corrente de carga I e uma dada velocidade n,
ambas a serem mantidas constantes.
Se conhecermos a característica em vazio e a característica de quedas de tensão da máquina,
é possível obter a característica de carga (aproximada) por intermédio de uma construção
gráfica, à semelhança do que já foi visto atrás com a obtenção da característica de regulação.
(O gráfico obtido é correcto se não houver saturação…)
E0
I
Ie ou i
E0 - U
U
I1
x
x
x
x
E0(i)
U(i)
E0-U(I)
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GERADORES AUTO-EXCITADOS
Já referimos que um dínamo se diz auto-excitado quando o enrolamento indutor está ligado
directamente ao enrolamento induzido. Mas, para que esse funcionamento seja exequível há
que assegurar determinadas condições caso contrário o dínamo não excitará.
Quando é que um dínamo auto-excitado não funciona por falta de auto-excitação?
• Falta de magnetismo remanescente
Um dínamo pode perder o magnetismo remanescente após um longo período de repouso
ou então, caso o indutor seja percorrido por corrente em sentido contrário enfraquecendo
o ténue campo indutor que existia até o anular.
Para repor o magnetismo remanescente há que fazer percorrer o circuito indutor por uma
corrente contínua, no mesmo sentido da que percorrerá este enrolamento em
funcionamento normal.
• Resistência do circuito indutor superior a resistência crítica ou defeito no circuito indutor.
Neste caso, a falta de excitação é devida ao valor elevado da resistência de excitação
(sendo Rcrítica o valor limite de resistência para a qual ainda se verifica excitação) ou a
defeitos no circuito indutor, se um voltímetro ligado aos terminais indicar uma pequena
tensão devida ao magnetismo remanescente.
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• Sentido da corrente, invertido
Se o sentido da corrente no circuito indutor for contrário ao da corrente em
funcionamento normal, isto retirará ao dínamo o magnetismo remanescente e este não
poderá funcionar em auto-excitação. (Ver o que se disse no primeiro ponto desta lista.)
O fenómeno é passível de verificação através de um voltímetro que ligado aos terminais
vai mostrar inicialmente a existência de alguma tensão que tenderá gradualmente para
zero em vez de aumentar.
O fenómeno pode estar relacionado com o sentido de rotação invertido ou com ligação do
circuito indutor trocada.
• Má sequência dos pólos indutores.
Sempre que as bobinas indutoras são desligadas e as peças polares desmontadas é de boa
norma verificar, após a sua montagem, que a sequência dos pólos indutores é tipo
NSNSNS… Esta verificação faz-se com o auxílio de uma agulha magnética…
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CARACTERÍSTICAS DOS DÍNAMOS AUTO-EXCITADOS
Dínamo Série
No caso do dínamo série, o traçado das características, com excepção da característica externa,
não poderá ser efectuado com o indutor ligado em série com o induzido. Se pensarmos na
característica em vazio, seria impossível assegurar uma relação rigorosa entre E0 e i,
garantindo que não há corrente de carga em jogo, estando o indutor ligado em série com o
induzido. Na medida em que esta característica põe em evidência uma relação de grandezas
que dependem apenas de aspectos construtivos do dínamo, o que se faz é o traçado com
excitação separada.
Nas outras características (com excepção da externa, conforme já referido) também não vamos
recorrer à ligação convencional de funcionamento do dínamo pois estamos em presença de
características onde intervêm as grandezas E0 e i (não esquecer a filosofia subjacente:
relacionar 2 grandezas mantendo constantes as restantes).
Quanto à característica externa, esta relaciona a tensão aos terminais com a corrente de carga,
pelo que não há qualquer impedimento para efectuar o seu traçado com o dínamo ligado
normalmente em excitação série Também não faria sentido não se poder determinar esta
característica nos moldes em que o dínamo funciona normalmente em carga!
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Característica externa – dínamo série:
A obtenção gráfica de U=f(I), característica externa, efectua-se com base na característica em
vazio e na característica de quedas de tensão. Quanto à C.Vazio, sendo i proporcional (ou igual) à
corrente de carga I, teremos algo como E0 = f(I).
Quanto à construção da C.Externa, usando a C.Vazio e a de Quedas de Tensão, fá-lo-emos, por
exemplo, para uma corrente de carga I1.A I1 corresponde pela C.Vazio um E01. A tensão à qual se
dá a queda E01 – U1é dada por x. Donde, U1 = E01 – x. Marca-se o ponto cujas coordenadas são
dadas por(I1, E01 – x). Repete-se para diferentes valores de corrente de carga I.
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Dínamo Shunt
Vamos agora ver o que acontece com o dínamo shunt. Embora não se cometa um erro muito
grande na obtenção das características deste dínamo com a respectiva excitação, (com excepção da
C.Vazio em que a norma CEI recomenda o uso de excitação separada para qualquer máquina DC),
a verdade é que será sempre mais rigoroso usar excitação separada para a respectiva obtenção.
No entanto, e como já sabemos, a C.Externa, que representa o real funcionamento da máquina em
carga, como é lógico, só se obtém ligando o dínamo com a respectiva excitação de funcionamento,
ou seja, excitação shunt!
Partindo da C. Vazio e da C. Quedas de Tensão também neste caso se pode obter a característica
Externa do dínamo shunt por intermédio de um processo gráfico.
A construção em questão denomina-se “Construção de Picou” e parte de U = E0 – (E0 – U). Em
vazio, isto é, sem carga aos terminais, I=0, temos uma malha fechada comportando o circuito
indutor (reóstato de excitação em série com o respectivo enrolamento) em paralelo com o circuito
do induzido. Admite-se que em vazio, sendo a corrente que percorre a malha, i, muito baixa e
sendo (RI) ,RInduzido, igualmente baixa, a queda RI×i desprezável ficando U = E0.
Seja R a resistência total do circuito indutor dada por Ri+Rexc. R é constante → R=K. Logo, fica
U = Ri = Ki. Desprezando a queda RI×i, como já referimos, a equação do circuito indutor pode
escrever-se E0 = Ki, o que corresponde a uma recta.
52

A I1 corresponde a queda de tensão x. Como agora I não é zero, há uma queda de tensão aos
terminais da máquina (induzido) pelo que U ≠ E0. Daqui temos que i diminuiu pois era dada por
U/K. Diminuindo i, diminui E0, que passa agora a ser E01.O valor de U1 que pretendemos conhecer
e que corresponde a I1 virá dado por U1 = E01 – x. No entanto, U1 tem de obedecer a i1=U1/K,
tendo portanto que se encontrar sobre essa recta. Assim, marca-se x para I1. Tira-se pelo valor de x
marcado sobre o eixo das ordenadas uma paralela à recta do 2º quadrante. Obteremos dois pontos
de intersecção desta nova recta com a C.Vazio. Por eles tiram-se as respectivas projecções sobre a
recta do indutor. Transportando estes valores até ao 1º quadrante, a sua intersecção com a recta
vertical correspondente a I1 dá-nos dois pontos da C.Externa do dínamo shunt.
53

Dínamo Composto ou Compound
Neste tipo de dínamo, como já se referiu, temos o enrolamento série ligado em série com o
induzido e o enrolamento shunt ligado em paralelo. Consoante o predomínio de um ou outro,
bem como de especificidades da ligação, teremos comportamentos em carga distintos.
Nestes dínamos só faz sentido averiguar a característica externa, na medida em que as restantes
são, no fundo, o conjunto de 2 características correspondentes a cada um dos enrolamentos
indutores em presença no dínamo composto.
A característica Externa é a que reflecte o real comportamento do dínamo quando este se
encontra em carga. Antes de nos debruçarmos sobre esta característica vamos resumir os tipos
de classificações em torno dos dínamos compostos.
Normalmente só se usa um reóstato de excitação, mesmo com os dois enrolamentos indutores, e
esse reóstato é o do circuito shunt, na medida em que este enrolamento é acentuadamente
predominante sobre o série, acabando por ser nele que se regula o fluxo indutor da máquina.
Agruparemos primeiramente os dínamos compound em dois tipos:
• Compound aditivo: quando o fluxo gerado pelo enrolamento série tem o mesmo sentido
que o fluxo gerado pelo shunt, ou seja, têm as mesmas polaridades adicionando-se os
respectivos fluxos.
• Compound diferencial: o fluxo produzido pelo enrolamento série opõe-se ao produzido
pelo enrolamento shunt.
54

Temos ainda uma classificação que se prende com o modo como a ligação é feita:
• Curta derivação: se o circuito indutor shunt (enrolamento em série com o reóstato) é ligado
em paralelo com o induzido, ficando o em série com o enrolamento indutor série.
• Longa derivação: se o circuito indutor shunt (enrolamento em série com o reóstato) é
ligado em paralelo com a série do induzido com o enrolamento indutor série.
Dentro dos aditivos temos três perfis a considerar:
• Hipercomposto: a tensão sobe com a carga; predomina o efeito do enrolamento série.
• Isocomposto: a tensão mantém-se constante perante variações de carga; o efeito dos dois
enrolamentos compensa-se.
• Hipocomposto: a tensão decresce com o aumento da carga, embora a diminuição seja
menor do que se tratasse de um dínamo shunt convencional; predomina o efeito do
enrolamento shunt.
55

APLICAÇÕES DOS DIFERENTES TIPOS DE DÍNAMOS
Dínamo série
Não é conveniente usá-lo para alimentação de redes DC onde se pretenda assegurar tensão de
saída constante perante variações de carga, na medida em que a característica externa deste
dínamo mostra-nos que há grande variação da tensão à saída com a carga. A sua utilização
resume-se à compensação de quedas de tensão nas linhas (DC), sendo denominado, neste caso,
de dínamo hipertensor.
Dínamo shunt
Tem uma utilização normal e frequente visto apresentar um funcionamento estável.
Dínamo composto ou compound
• Hipercomposto: usa-se para compensar quedas de tensão em linhas de alimentação de
receptores afastados
• Isocomposto: usa-se sempre que é necessário manter a tensão constante (exº: pequenas
redes DC de iluminação).
• Compound diferencial: usa-se sempre que se quer descidas rápidas de tensão perante
subidas de carga. Exemplos: soldadura; motores que possam ficar travados provocando
aumentos súbitos de corrente.
56

Controlo de tensão:
Nos dínamos interessa-nos manter o valor da tensão nos terminais constante para qualquer
tipo de da corrente. Há dois modos de o conseguir:
• Ajuste da velocidade de accionamento.
• Ajuste do reóstato de excitação que é colocado em série com o circuito indutor.
• Para o dínamo isocomposto não é necessário efectuar qualquer ajuste.
57

MOTORES DC
Um motor eléctrico, como anteriormente vimos, pode definir-se como uma máquina que
transforma energia eléctrica em energia mecânica.
As máquinas de corrente contínua são referidas como sendo reversíveis, isto é, um dínamo,
recebendo energia eléctrica pode funcionar como motor transformando essa energia
recebida em energia mecânica…
Consideremos então um dínamo ao qual é aplicada uma tensão contínua. Neste caso, como
os condutores do circuito do induzido são percorridos por corrente e uma vez que se
encontram sob a acção do campo indutor, ficam submetidos à acção da força:
F = I·l·B
onde F é a força, I a intensidade de corrente, l o comprimento do condutor e B a
indução magnética.
Como l é constante fica F = K·I·B.
Mais ainda, como o binário motor é proporcional à força F, teremos:
T = K2·I·B
e uma vez que há proporcionalidade entre a indução magnética e o fluxo escreveremos
finalmente:
T = K’·Φ·I
58

MOTOR SÉRIE
Sentido de marcha.
Se aplicarmos a uma máquina série uma tensão contínua com a mesma polaridade que existir
quando a máquina está a funcionar como gerador, verifica-se em relação a este uma inversão do
sentido da corrente através do induzido e do indutor.
Dínamo: E = RI + U Motor: U – RI = E
+
G
I
U
-
+
M
U
Rexc Rexc
59

Características Electromecânicas e Mecânica do motor série:
As características são as características que relacionam o rendimento, potência consumida,
binário motor, velocidade, com a corrente de carga. Centraremos o nosso interesse nas últimas
três bem como na característica mecânica que relaciona o binário com a velocidade.
• Característica Electromecânica de binário do motor série: T = f(I)
A sua forma tem por base: T = K·Φ·I; tem evolução diferente consoante I grande ou pequeno.
T
I
In
60

• Característica Electromecânica de velocidade do motor série: N = f(I)
A sua forma tem por base:
φ
−
=
K
RIU
N
• Característica Mecânica do motor série: T = f(N)
N
T
N
IIn
61

Utilização dos motores série:
Usam-se normalmente em tracção eléctrica dado oferecerem elevados binários de arranque.
Tem velocidade automaticamente adaptável à carga, mantendo a potência absorvida dentro de
limites pouco afastados. O grande problema é que sem carga o motor embala pelo que não
podemos ter o motor série a funcionar em vazio sem dispormos de adequados dispositivos de
protecção ( mínimo de corrente).
“É o único motor de corrente contínua que pode funcionar em perfeitas condições quando
alimentado por corrente alternada monofásica tendo por isso características de motor
universal como é habitualmente chamado.” [D. Paiva Brandão]
Arranque dos motores série.
No instante do arranque a velocidade é nula e logo a F.C.E.M. é nula, ficando: U = RI.
A corrente é limitada pela resistência dos enrolamentos que é baixa pelo que é necessário
utilizar dispositivos que limitem esta corrente para que não atinja níveis demasiadamente
elevados. Assim, recorre-se a um reóstato em série com o induzido, denominado reóstato de
arranque. Ao introduzir o reóstato, fica:
U = RI’ + RaI’ =>
RaR
U
'I
+
=
À medida que o motor vai aumentando a velocidade, vamos reduzindo o valor da resistência de
arranque até que se elimina quando é atingido o valor final do arranque. Este reóstato varia
normalmente por escalas.
62

Regulação de velocidade nos motores série:
Uma das vantagens dos motores de corrente contínua reside na facilidade com que se pode
efectuar o controlo da sua velocidade para um conjunto considerável de valores.
Actuações possíveis na velocidade passam por:
o Actuação no fluxo por pólo
É o processo mais simples. A F.C.E.M. é proporcional ao fluxo por pólo e à velocidade
de rotação.
U = E + RI = KN Φ + RI
U – RI = KN Φ
Uma vez que à plena carga R é praticamente constante
φ
=
K
'U
N
Assim, aumentando o fluxo diminui-se N e vice-versa.
A modificação do valor do fluxo passa por actuar num reóstato, dito de excitação, em paralelo
com o enrolamento indutor.
63

Indutor
série
M
I
U
Reóstato de
excitação
Reóstato de
arranque
E
RI
Ri
Rexc
Ra
64

o Actuação por ajuste de tensão
Método que tem por base a possibilidade de variar a tensão aplicada ao motor; o seu
principal inconveniente reside no seu custo pois requer o uso de uma fonte própria de
corrente contínua cuja potência deverá ser igual à do motor a controlar. Poderemos usar
um grupo motor-gerador ou uma fonte de tensão rectificada ajustável…
M
Fonte de
tensão
ajustável
65

o Variação da resistência de Induzido
Este método obriga à existência de uma resistência exterior em série com o induzido do
motor. Por comparação com a utilização de um reóstato de excitação, verifica-se que este
reóstato terá de suportar toda a corrente que passa no circuito indutor; a dissipação neste
reóstato de energia soba a forma de calor, desencoraja, do ponto de vista energético, o
recurso a este método.
Inversão do sentido de rotação:
Inverter o sentido de rotação passa por inverter o sentido da corrente no induzido. Uma vez
que o binário motor é proporcional ao fluxo por pólo e à intensidade de corrente, ao
invertermos o sentido da corrente no induzido, estamos a inverter o sinal de I e
consequentemente a inverter o sinal do binário motor o que significa que o motor rodará em
sentido contrário ao inicial.
Se invertermos o sentido da corrente de excitação, inverte-se o fluxo por pólo e o binário
motor, passando o motor a rodar em sentido oposto.
Se se inverter em simultâneo o sentido da corrente de induzido e da corrente de
indutor……………………FICA TUDO NA MESMA!!!!!!!
66

MOTOR SHUNT
Se a uma máquina auto-excitada tipo shunt se aplicar uma tensão contínua com a mesma
polaridade à que existe quando funciona como gerador, verifica-se, relativamente a este
caso, uma inversão do sentido da corrente no induzido, mantendo-se igual o sentido da
corrente no indutor.
As forças exercidas sobre os condutores têm sentidos opostos conforme a máquina
trabalha como gerador ou como motor. Uma vez que essas forças se opõem ao movimento,
o sentido de movimento de uma máquina shunt a funcionar como motor é o mesmo que a
máquina tem quando funciona como gerador.
Características Electromecânicas e Mecânica do motor shunt:
• Característica Electromecânica de binário T = f(I)
A sua forma tem por base: T = K·Φ·I
T
I
67

Como a tensão U é considerada constante, o fluxo indutor é constante pois a corrente de
excitação também o é na medida em que resulta (caso não haja reóstato de excitação) do
quociente entre a tensão de alimentação do motor e a resistência do enrolamento indutor (esta,
sem dúvida, constante…).
Ri
U
Ii = e sabemos que Ii => Φ
T = K·Φ·I
Daqui se pode confirmar a forma rectilínea da característica.
• Característica Electromecânica de velocidade N = f(I)
A sua forma tem por base: I
K
R
1K
U
N −=
A sua forma revela-nos que a velocidade é muito pouco variável com a carga; ao contrário do
motor série, este motor não embala em vazio…
N
I
68

• Característica Mecânica do motor shunt: T = f(N)
Utilização dos motores shunt:
O tipo de características velocidade – carga deste tipo de motores permite uma vasta gama de
aplicações principalmente se se pretende uma velocidade controlada praticamente constante.
Usado em máquinas ferramentas, industria têxtil, …
N
T
69

Arranque dos motores shunt.
Tal como nos motores série surge a questão do arranque que vai obrigar ao uso de um
reóstato de arranque em série com o induzido.
No arranque o motor está parado e logo a F.C.E.M é nula. No instante inicial, a corrente que
percorre o induzido é limitada pela resistência do enrolamento induzido e pelo reóstato de
arranque. Só quando o motor principia a rodar é que a corrente vai ainda ser limitada pela
F.C.E.M que só nesse momento surge… Há que começar a reduzir o valor da resistência do
reóstato até o retirar completamente do circuito.
No instante do arranque temos:
U = RII’ + RaI’ =>
RaR
U
'I
I +
=
Depois desse instante e à velocidade nominal :
IR
EU
I
−
=
70

Regulação de velocidade:
o Actuação no fluxo por pólo
É o processo mais utilizado. Ao actuarmos no reóstato de excitação, vamos variar a
corrente de excitação o que vai implicar uma variação de fluxo e necessariamente uma
variação de velocidade.
Indutor
shunt
M
II
U
Reóstato de
excitação
Ii
Ri
Rexc
RI
E
Ra
I
71

o Actuação por ajuste de tensão
Do mesmo modo que nos motores série, é possível varia a velocidade actuando na tensão
de alimentação por intermédio de uma fonte dc ajustável…
o Variação por inclusão de resistência no Induzido
Aqui se repete o mesmo que já foi dito no caso do motor série…
Inversão do sentido de rotação:
Mais uma vez, inverte-se o sentido de rotação, invertendo o sentido da corrente no induzido,
OU, invertendo o sentido da corrente no indutor…
Normalmente a opção comum é a de inverter o sentido da corrente no induzido…
72

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