Professor Mário Henrique Farias Santos [email protected] • Conceitos preliminares • Introdução às máquinas CA e CC • Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos concentrados e de enrolamentos distribuídos • Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em enrolamentos concentrados e em enrolamentos distribuídos • Torque eletromagnético • Perdas ∫ C Hdl = ∫ Jda S φ = ∫ Bda S ℑ = ℜφ • O enrolamento de campo é excitado por uma corrente contínua que é levada até ele por meio de escovas estacionárias de carvão que fazem contato com anéis coletores; • O enrolamento de armadura consiste de bobinas de N espiras. Os condutores que formam estas bobinas são paralelos ao eixo da máquina e são ligados em série por terminais de conexão. • Quando este fornece potência elétrica a uma carga, a corrente de armadura cria no entreferro uma onda de fluxo magnético que gira na velocidade síncrona. Esste fluxo reage ao fluxo criado pela corrente de campo, resultando um conjugado eletromecânico a partir da tendência desses dois campos magnéticos se alinhar entre si. Esse conjugado se opõe à rotação, então um conjugado mecânico deve ser aplicado para que a rotação seja mantida. Fig. 3.1- Diagrama esquemático de um gerador síncrono, pólos salientes, monofásico, dois pólos • A medida que o rotor gira, o fluxo concatenado do enrolamento de armadura varia no tempo; • Se a distribuição do fluxo magnético no entreferro é senoidal e a velocidade é constante, FEM é senoidal Fig. 3.2- a) Distribuição espacial da densidade de fluxo; b) Onda correspondente da tensão gerada • Máquina Síncrona: A frequência da tensão induzida é proporcional à rotação do rotor por segundo, por isto esta máquina é chamada síncrona. Em rpm, a equação é: 120 f n= p Fig. 3.3- Diagrama esquemático de um gerador síncrono, de pólos salientes, monofásico, quatro pólos Fig. 3.4- Distribuição espacial da densidade de fluxo do gerador síncrono de quatro pólos pólos θ ae = θ a 2 • Uma corrente alternada é aplicada ao enrolamento de armadura do estator, e uma excitação CC ao enrolamento de campo do rotor. Para produzir um conjugado eletromecânico constante, os campos magnéticos do estator e do rotor devem ser constantes em amplitude e estacionários um em relação ao outro. Fig. 3.5- Enrolamento de campo de um gerador síncrono, de dois pólos lisos (ou cilíndricos) Fig. 3.6- Diagrama esquemático de geradores trifásicos: a) dois pólos, um enrolamento por fase b) quatro pólos, dois enrolamentos por fase c) conexão estrela dos enrolamentos • Todo fio percorrido por uma corrente elétrica imerso num campo magnético fica sujeito a uma força de natureza magnética dada por: F = B × L × i × senθ • Onde θ é o ângulo entre a direção do fio e das linhas de campo magnético, B é a densidade de fluxo magnético, L o comprimento lateral da espira e i a corrente elétrica. • Há uma tendência natural de alinhamento entre o campo girante e o campo magnético produzido pela espira, percorrida pela corrente induzida. • Se por hipótese, a espira fosse sustentada por um eixo com liberdade de giro, ela seria arrastada pelo campo girante com velocidade angular própria. • Se a espira estiver em sincronismo com o campo girante, não há indução na espira, pois não há variação de fluxo. • O conjugado desenvolvido neste caso também é nulo, não existindo ação motriz. • Se a espira estiver travada, haverá uma tensão induzida elevada, gerando uma alta corrente e um alto conjugado. • Porém não existirá ação motriz devido ao travamento. • Quando a a espira gira com velocidade menor que velocidade do campo girante, este movimento é chamado de assíncrono. • Neste caso é estabelecida uma velocidade relativa entre o campo e a espira. • A tensão induzida será menor, pois a velocidade relativa e a freqüência da tensão na espira será menor que a freqüência do campo girante. • Este é o princípio de funcionamento de motores de indução. Fig. 3.7- Curva característica rotação versus torque do motor de indução • O funcionamento de um motor C.C. está baseado nas forças produzidas da interação entre o campo magnético e a corrente de armadura no rotor, que tendem a mover o condutor num sentido que depende do sentido do campo e da corrente na armadura (regra de Fleming ou da mão direita). Fonte: Wikipédia Fonte: Wikipédia • A figura a seguir mostra o sentido das forças que agem sobre uma espira. • Sob a ação da força a espira irá se movimentar até a posição X-Y onde a força resultante é nula, não dando continuidade ao movimento. • Torna-se então, necessário a inversão da corrente na espira para obter um movimento contínuo. Fonte: Manual Weg • Este problema é resolvido utilizando um comutador de corrente. • Este comutador possibilita a circulação de corrente alternada no rotor através de uma fonte CC. • Para se obter um conjugado constante durante todo um giro da armadura do motor utilizamos várias espiras defasadas no espaço montadas sobre um tambor e conectadas ao comutador. Fig. 3.8- Gerador CC elementar com comutador • Rotor gira com velocidade constante; • A tensão induzida no enrolamento de armadura é uma tensão alternada. • Necessário retificar a onda através do uso do comutador. Fig. 3.9- a) Distribuição espacial da densidade de fluxo no entreferro de uma máquina elementar CC; b) Onda da tensão entre as escovas • É um cilindro formado de segmentos de cobre isolados entre si; • Escovas estacionárias de carvão são mantidas apoiadas na superfície do comutador; • Estas conectam o enrolamento aos terminais externos da armadura; • Em qualquer instante o comutador conecta o lado da bobina que está próximo do pólo sul à escova positiva, e vica-versa