Princípios e Características das Máquinas de Corrente Contínua

Máquinas de Corrente Contínua Princípio de Funcionamento e Características Prof Marcel Parentoni ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Tópicos Fundamentos das Máquinas CC Operação MotorGerador e Frenagem Princípio de Funcionamento Características Fundamentos das Máquinas CC Do Chapman Representação da Máquina CC Figura 72 Tensões retificadas de bobina e a tensão resultante entre escovas em uma máquina CC Fluxo de potências Figura 74 Ligações do circuito de campo de máquinas CC a excitação independente b em série c em derivação d composta Assim a tensão gerada na máquina é igual ao produto do fluxo presente no interior da máquina vezes a velocidade de rotação da máquina multiplicado por uma constante que representa os aspectos construtivos da máquina Em geral a tensão em qualquer máquina real dependerá dos mesmos três fatores 1 O fluxo na máquina 2 A velocidade de rotação 3 Uma constante que representa a construção da máquina Assim o conjugado produzido na máquina é o produto do fluxo presente no interior da máquina vezes a corrente na máquina multiplicado por uma constante que representa os aspectos construtivos mecânicos da máquina a porcentagem do rotor que está coberta pelas faces dos polos Em geral a tensão em qualquer máquina real dependerá dos mesmos três fatores 1 O fluxo na máquina 2 A corrente na máquina 3 Uma constante que representa a construção da máquina Operação MotorGerador Quando a máquina opera como motor que é sua principal função no acionamento ocorre a transferência de potência mecânica da máquina para carga e o conjugado torque desenvolvido pelo motor provoca o movimento do conjunto Quando a máquina opera como gerador ocorre a transferência de energia da carga armazenada pelas massas em movimento para a máquina e o conjugado desenvolvido pela máquina atua contra o movimento provocando a frenagem do acionamento que é o principal objetivo neste modo de operação Frenagem FRENAGEM DINÂMICA A energia cinética convertida em elétrica é dissipada por resistores na forma de calor FRENAGEM REGENERATIVA A energia cinética convertida em elétrica é devolvida à própria rede de alimentação Princípio de Funcionamento Princípio de Funcionamento Espira com dois anéis coletores soldados em cada uma de suas extremidades Espira imersa em um campo magnético uniforme criado entre os polos norte e sul Espira alimentada por uma fonte de corrente contínua externa através de escovas A corrente circula por ambos os lados da espira resultando em uma força de origem eletromagnética Força de Lorentz em cada Tais forças possuem a mesma intensidade são proporcionais à mesma corrente sentidos contrários e estão separadas por uma distância ou passo da espira Desta forma desenvolvem um conjugado ou torque M e movimento consequentemente 14 Princípio de Funcionamento Durante o movimento o torque assumirá diversos valores entre um máximo o nulo e o mínimo 15 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Princípio de Funcionamento O torque máximo ocorre com a espira na posição 1 e nesta situação o fluxo que a atravessa é nulo Na posição 2 o fluxo é máximo porém o torque é nulo Na posição 3 o torque também é máximo porém aplicado no sentido contrário ao inicial e o fluxo que atravessa a espira também será nulo Pelo exposto verificase que embora se atue como um motor o movimento da espira é oscilatório ou seja o torque desenvolvido é alternado Naturalmente a característica descrita no item anterior é indesejável pois há o interesse em que o movimento seja realizado sempre no mesmo sentido e para tanto o torque deve ser aplicado igualmente sempre no mesmo sentido 16 Característica M ft Princípio de Funcionamento De modo a tornar isto possível utilizase apenas um dos anéis coletores separado em duas partes ou teclas isoladas uma da outra no lugar dos dois e soldandose as pontas da espira em cada uma dessas partes As escovas terão polaridade independente da posição da espira 17 Princípio de Funcionamento Para esta disposição das escovas e teclas têm se as novas situações operacionais 18 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Princípio de Funcionamento Comparação da utilização das teclas 19 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Princípio de Funcionamento O torque é desenvolvido no mesmo sentido Porém o torque oscila É pulsante 20 Característica M ft Princípio de Funcionamento A oscilação do torque pode ser atenuada inserindose uma segunda espira em cujos terminais estão soldadas duas outras teclas provenientes de um nova subdivisão do anel Cada espira individualmente produz o respectivo torque defasado um do outro Desta forma ao girar as teclas de uma delas finalizam o contato com as escovas enquanto que as da outra iniciam Assim a corrente ora circula por uma das espiras ora pela outra Obtendose assim a atenuação da pulsação do torque resultante 21 Característica M ft Princípio de Funcionamento Naturalmente quanto mais espiras e respectivas teclas menos oscilação a característica M ft apresentará O conjunto de teclas é chamado de comutador enquanto o de espiras de armadura 22 Princípio de Funcionamento Aumento dos Valores de Torque O maior valor de torque possível de se obter é aquele correspondente ao máximo de uma espira Para se conseguir resultados maiores é necessário que hajam mais espiras sofrendo a atuação das Forças de Lorentz Uma solução encontrada para tanto foi a de se aproveitar a necessidade de se empregar várias espiras para que o torque se desenvolva sempre no mesmo sentido e a sua oscilação seja atenuada Conectandose tais espiras em série porém mantendo seus terminais soldados às respectivas teclas resulta em um enrolamento sem fim nem começo Desta forma as espiras serão percorridas pela mesma corrente e assim surgirão as Forças de Lorentz com a mesma intensidade sobre os lados de cada uma delas Como elas estão dispostas em posições distintas em relação ao campo magnético os valores desenvolvidos de torque em cada uma são diferentes Assim eles se somam resultando em um valor maior que o de apenas uma 23 Características Tensão induzida Excitação Comutação Linha Neutra Reação de armadura Deslocamento da linha neutra Deslocamento das escovas Polos de comutação ou interpolos Enrolamentos de compensação 24 Tensão Induzida De acordo com o exposto anteriormente ao se alimentar a espira com uma fonte externa ela gira Como ela está imersa em um campo magnético ocorrerá um movimento relativo entre ambos Naturalmente conforme a espira gira a quantidade de linhas de campo ou seja o fluxo magnético que a cruza se altera para cada posição que assume 25 Tensão Induzida O fluxo é variável no tempo alternado quando se adota a espira como referência Desta forma pela lei de FaradayLenz será induzida uma tensão nos terminais da espira que é alternada 26 Tensão Induzida Observese que conforme diminui o número de linhas cruzando a espira aumentase a tensão induzida e viceversa Neste sentido ressaltase um fato importante ou seja quando o fluxo é máximo a tensão induzida é nula Portanto se uma espira estiver posicionada a 90 do campo a tensão induzida em seus terminais será nula A retificação da tensão induzida e a redução de sua ondulação são efetuadas da mesma maneira que ocorre para o torque Devese atentar para o fato de que obrigatoriamente a tensão induzida deverá se opor à da fonte e desta forma ela é chamada de força contra eletromotriz induzida E A tensão da fonte por outro lado é denominada de tensão de armadura enquanto a corrente que circula pelas espiras de corrente de armadura Devido ao fato de ser a parte da máquina onde se induz tensões a armadura também é chamada de induzido 27 Excitação Os polos norte e sul citados até esse ponto são eletroímãs nos motores industriais na realidade Apenas para pequenas aplicações eles são constituídos por imãs permanentes Assim eles possuem várias espiras enroladas em torno de cada um deles formando o denominado enrolamento de campo ou de excitação A corrente que circula pelas espiras recebe o nome de corrente de excitação ou de campo ou de magnetização 28 Comutação A comutação é o processo no qual devido ao giro da armadura há a troca de uma tecla que faz contato com a escova por outra permitindo que o conjugado torque se desenvolva uniformemente É o processo de converter as tensões e correntes alternadas do rotor de uma máquina CC em tensões e correntes contínuas em seus terminais 29 Comutação O processo de comutação implica necessariamente na inversão de corrente na espira comutada e portanto ela é alternada em seu interior Isto aliás justifica a necessidade de se utilizar chapas de aço silício na construção do circuito magnético da armadura Em resumo a comutação é um processo de chavear as conexões das espiras da armadura de uma máquina CC exatamente no momento em que a tensão na espira inverte a polaridade de forma a garantir que a tensão de saída seja sempre CC 30 Linha Neutra O fluxo que atravessa uma dada espira é máximo quando esta se encontra em um plano perpendicular ao campo e sendo assim não há tensão induzida na espira Esta posição recebe o nome de plano neutro ou linha neutra No momento em que ocorre a comutação a escova curtocircuita momentaneamente a tecla subsequente Se no momento em que isto ocorrer existir uma diferença de potencial entre uma tecla e outra uma corrente elevada circulará através da escova Quando ela se desconecta da tecla anterior devido ao efeito indutivo surge um arco elétrico o chamado flashover Esse arco é constante e extremamente prejudicial ao comutador pois o arco elétrico funde o cobre inutilizandoo rapidamente Por este motivo a comutação sempre deve ser feita sobre a linha neutra onde tais problemas não ocorrem pois nela a tensão entre teclas adjacentes é nula Assim é necessário assentar as escovas sobre a linha neutra para evitar faiscamentos 31 Reação de Armadura Motor excitado com circuito da armadura desenergizado sem carga Neste caso a linha neutra está em seu lugar de origem e as escovas devem ser assentadas sobre ela 32 Reação de Armadura Ao se energizar o circuito de armadura e com a inserção de carga no eixo há a circulação de corrente pelo seu enrolamento Nesta situação como se sabe a corrente produzirá um fluxo o qual é conhecido por fluxo de reação da armadura perpendicular ao principal ou seja na direção da linha neutra 33 Reação de Armadura Sobrepondo as duas situações em uma condição real de operação verificase que o fluxo principal e o de reação da armadura se compõem originando um fluxo resultante O fluxo resultante não é apenas deslocado mas também distorcido 34 Deslocamento da Linha Neutra O posicionamento do fluxo resultante em relação à linha neutra original depende da corrente de armadura ou seja da carga A linha neutra sempre possuirá uma posição perpendicular ao campo Como o fluxo resultante se deslocou a linha neutra também se deslocará de sua posição original Deslocamento das escovas Uma solução para compensar o deslocamento da linha neutra pode ser a realização do deslocamento correspondente das escovas Todavia o deslocamento da linha neutra depende diretamente da corrente de armadura ou seja da carga 36 Polos de comutação ou Interpolos Para evitar o deslocamento da linha neutra a solução mais prática é cancelar o fluxo de reação da armadura Para tanto é necessário que seja produzido um fluxo magnético adicional com mesma intensidade porém de sentido oposto a ele Este fluxo adicional pode ser facilmente obtido pela inserção de polos auxiliares ou interpolos entre os polos principais 37 Polos de comutação ou Interpolos Em um gerador os interpolos devem ter a mesma polaridade que o polo principal que se aproxima Em um motor os interpolos devem ter a mesma polaridade que o polo principal anterior que se afasta Os enrolamentos de campo dos interpolos devem ser conectados em série com a armadura de modo que se conserve a proporcionalidade entre a corrente e fluxo produzido O uso de interpolos é bem comum pois corrige o problema de faiscamento a um custo bem reduzido 38 Polos de comutação ou Interpolos Enrolamentos de compensação No caso de motores de grande porte o trabalhando sob muita carga o enfraquecimento de fluxo pode ser muito relevante Nas máquinas de grande potência de elevada velocidade ou que apresentam alta tensão entre as teclas do comutador convém suprimir totalmente a reação de armadura Para cancelar completamente o deslocamento da linha neutra o enfraquecimento de fluxo e o efeito de distorção causados pela reação de armadura podese alocar enrolamentos de compensação em ranhuras abertas nas faces dos polos paralelamente aos condutores do rotor Esses enrolamentos são conectados em série com os enrolamentos do rotor armadura As correntes que por eles circulam devem ser de tal maneira que anulem o campo magnético produzido pela armadura 40 Enrolamentos de compensação Interpolos e Enrolamentos de compensação 42 Referências Apostila de Manutenção de Motores de corrente Contínua Prof Antônio Tadeu Lyrio de Almeida 2007 Apostila de Máquinas de corrente Contínua Prof Delvio Franco Bernardes 2008 CHAPMAN Stephen J Fundamentos de máquinas elétricas AMGH Editora 2013 Umans Stephen D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed AMGH 2014 43