PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO • Máquinas de corrente contínua
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO • Máquinas de corrente contínua Máquinas Eléctricas GERADOR ELEMENTAR Máquinas Eléctricas GERADOR ELEMENTAR Máquinas Eléctricas Regra da Mão Direita e = Blv Máquinas Eléctricas 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 Pólos auxiliares B1 – B2 ou de comutação Enrolamento de C1 – C2 compensação Indutor série D1 – D2 Indutor paralelo Máquinas Eléctricas A1 – A2 E1 – E2 GERADOR DC Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas Melhoria da forma de onda Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas 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. Anterior) e ea+ ed (a 45º - posição da figura ao lado) Máquinas Eléctricas 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 e = Blv – Como a densidade de fluxo cortado varia de ponto para ponto, a fem E depende da posição das bobinas em cada instante Máquinas Eléctricas Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação Luis Pestana Zonas Neutras • São zonas à superfície do rótor onde a Indução é nula B=0 – 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” Máquinas Eléctricas Zonas Neutras • Se as escovas forem colocadas 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas Reacção do Induzido Máquinas Eléctricas Reacção do Induzido • Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas 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) Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas Tipos de Excitação Magnética Classificação Luis Pestana Excitação de máquinas de Corrente Contínua •Tipos de excitação •Auto-excitação •Shunt •Série •Excitação Separada •Compound •Fonte externa •aditiva •Hiper-compound •Isso-compound •Hipo-compound •diferencial Máquinas Eléctricas •Imanes permanentes Excitação de máquinas de Corrente Contínua Máquinas Eléctricas Geradores de Excitação Separada • Utilizam-se electroímanes em vez de imanes permanentes 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) E0 Rx – reostato de campo Máquinas Eléctricas Geradores de Excitação Separada caracteristica interna (ou de vazio) • 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 Máquinas Eléctricas Geradores de Excitação Separada Aplicações típicas •Tacógrafos •Tensão proporcional à velocidade de rotação •Amplificador (ampli-dínamo) •Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo Máquinas Eléctricas Característica externa Excitação separada Queda devido à reacção do induzido ε Queda devido às resistências do induzido e de contacto das escovas com o colector U 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas Gerador Shunt Controlo de Tensão Obtém-se por regulação do reóstato de campo Controlo da fem E0 do gerador Shunt • Máquinas Eléctricas A fem E0 em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela resistência do circuito indutor Processo Cumulativo da auto - excitação CONDIÇÕES DE EXCITABILIDADE • 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) Máquinas Eléctricas Gerador Shunt Característica externa • 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) Máquinas Eléctricas – 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 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 Máquinas Eléctricas Gerador Compound Circuito equivalente • 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 Máquinas Eléctricas 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 Máquinas Eléctricas Comparação de Características • Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua. Máquinas Eléctricas Associação de Geradores • Em série (para obter + tensão) • Em paralelo (para obter + corrente) Máquinas Eléctricas Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Série • 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 Máquinas Eléctricas Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Shunt • Internamente Estável • Distribuição de carga – O de menor “queda interna” suporta + carga Máquinas Eléctricas Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Compound • 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 Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Considerações Gerais Luis Pestana Motores de Corrente Continua Características principais • 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 Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Aplicações 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. Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua U > E’ E>U (E) • (U) No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Características mecânicas Luis Pestana Motores de Corrente Continua Excitação Separada • 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 Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Excitação Separada – característica de Binário - velocidade • 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) Motor exc. separada Máquinas Eléctricas Motor exc. Shunt Caracteristica mecânica de um motor de exc. Separada (ou shunt) Motores de Corrente Continua Força Contra Electromotriz (E’) U = E’ + Ri.I + ε U = k.n.Ф + Ri.I + ε Ù U − Ri.I n= Kφ • Velocidade “n” do motor: • Proporcional à tensão aplicada • Inversamente proporcional ao fluxo por pólo Máquinas Eléctricas U Motores de Corrente Continua Potência Transformada e Binário desenvolvido A potência eléctrica é i ie R transformada em mecânica U L no Induzido E Peléctrica = E’.I = Pmecânica = T.ω K .n.φ .I K .φ .I T= = = = K '.φ .I 2.π .n 2.π ω E '.I T= k’.Ф.I Máquinas Eléctricas Ce Cr Ω J Motores de Corrente Continua Caracteristica mecânica de T = K ' .φ .I n= U − Ri . I Kφ Podemos obter: ω = U − ' Kφ Ri . T K 'φ K 'φ Originando uma característica mecânica linear Máquinas Eléctricas = U Ri − .T ' ' 2 K φ (K φ ) 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 Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Enfraquecimento de campo • 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’) Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua 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) Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Curvas características Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Inversão do sentido de rotação Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Formas de variação de velocidade • • • Por variação de tensão Por variação da resistência do induzido Por variação de fluxo Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua • Sistema de variação de velocidade Ward-Leonard Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua • Controlo de velocidade Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Característica real binário-velocidade Problemas de ventilação Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Regimes de operação Máquinas Eléctricas Motores de Corrente Continua Frenagem Funcionamento normal Máquinas Eléctricas Frenagem reostática (ou dinâmica) Motores de Corrente Continua Frenagem Funcionamento normal Máquinas Eléctricas Frenagem por Contra Corrente Motores de Corrente Continua Frenagem • A contra – corrente é mais eficaz (menor tempo de paragem) • Reostática – mais utilizada, devido à simplicidade Máquinas Eléctricas Motores especiais • Motor universal Máquinas Eléctricas Motores especiais - Motor PCB Espiras do rótor escovas electroímanes Máquinas Eléctricas
