KOJE%CC%80VE, Alexandre. Introduça%CC%83o a%CC%80 Leitura de Hegel
Aulas máquinas cc 2008
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
• Máquinas de corrente contínua
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR ELEMENTAR
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR ELEMENTAR
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Regra da Mão Direita
e = Blv F = Bli
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
GERADOR DC
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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
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MMááquinas quinas 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 femalternada.
• As máquinas apenas diferem na forma como os enrolamentos estão ligados ao exterior– um alternador utiliza anéis deslizantes– um dínamo utiliza um comutador
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Melhoria da forma de onda
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas 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 escovasvaria entre ea (a 0º- fig. Ante-rior) e ea+ ed (a 45º - posiçãoda figura ao lado)
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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 fluxocortado varia de ponto paraponto, a fem E depende daposição das bobinas em cadainstante
e = Blv
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Luis PestanaLuis Pestana
Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação
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MMááquinas quinas 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 nocurto-circuito “bobina-escovas”
B=0
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MMááquinas quinas 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, causandochispas (faíscas)
• As escovas têm de ser colocadas naszonas neutras, porque:– O curto-circuito ocorre quando a
fem induzida nas espiras é nula– É nas zonas neutras que se capta + fem
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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
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Reacção do Induzido
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Reacção do Induzido
• Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação
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MMááquinas quinas 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 feminduzida total
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA
• fem induzida mais forteem certas zonas deinfluência dos pólos (fluxoaditivo) do que noutras(fluxos opostos)
• A fem máxima da máquina deixade ser na linha neutra geométrica e passaa ser na linha neutra magnética
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Reacção do induzido
• Consequências– Se a máquina não está saturada (zona linear da curva de
magnetização) => A fem não se altera porque o fluxo éconstante (Ф = c.te)
– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada
– Elevação da tensão em laminas consecutivas do colectorjunto 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)
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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
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MMááquinas quinas 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 laminasconsecutivas -> espiras em curto-circuito
– Há inversão do sentido da correntenas espiras (passagem das espirasde 1 via ou caminho para a viaseguinte).
• 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
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Luis PestanaLuis Pestana
Tipos de Excitação Magnética
Classificação
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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
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Excitação de máquinas de Corrente Contínua
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Geradores de Excitação Separada
• Utilizam-se electroímanesem vez de imanes perma-nentes para criar o campomagnético.– 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
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MMááquinas quinas 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 Separadacaracteristica interna (ou de vazio)
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Geradores de Excitação Separada
Aplicações típicas
•Tacógrafos
•Tensão proporcional àvelocidade de rotação
•Amplificador (ampli-dínamo)
•Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo
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MMááquinas quinas 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 terminaisri – 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
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas 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 DE ÕES DE EXCITABILIDADEEXCITABILIDADE
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MMááquinas quinas 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
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Gerador Compound
• O gerador compoundé similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com autilização de um indutorsérie.– O indutor série é
composto por poucasespiras de fio grosso, dadoque vai ser percorrido pelacorrente do Induzido
– A resistência do indutorsérie é assim muito baixa
![Page 36: Aulas máquinas cc 2008](https://reader030.fdocumentos.tips/reader030/viewer/2022020219/55cc7710bb61eb301e8b463b/html5/thumbnails/36.jpg)
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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
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Comparação de Características
• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Associação de Geradores
• Em série (para obter + tensão)• Em paralelo (para obter + corrente)
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas ElElééctricasctricas
Associação de Geradores
• Internamente Estável
• Distribuição de carga– O de menor “queda interna” suporta + carga
Paralelo de Dínamos tipo Shunt
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MMááquinas quinas 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
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Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Considerações Gerais
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas 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
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MMááquinas quinas 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)
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Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Características mecânicas
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MMááquinas quinas 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
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• 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)
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U = E’ + Ri.I + εU = k.n.Ф + Ri.I + ε
Força Contra Electromotriz (E’)
φKIRiUn .−
=
U
• Velocidade “n” do motor:• Proporcional à tensão aplicada• Inversamente proporcional ao fluxo
por pólo
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A potência eléctrica étransformada em mecânica no InduzidoPeléctrica = E’.I = Pmecânica = T.ω
IKIKnInKIET .'.
.2..
..2...'. φ
πφ
πφ
ω====
Potência Transformada e Binário desenvolvido
T= k’.Ф.I
i
Uie
CeΩ
Cr
J
RLE
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Originando uma característica mecânica linear
Caracteristica mecânica
φKIRiUn .−
=de
TK
RiKU
KKTRi
KU .
)(
.
2'''
'
' φφφφ
φω −=−=
Podemos obter:
IKT ..' φ=
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• 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 apenasdepende da corrente no Induzido
• O Binário Máximo é controladolimitando a corrente no Induzido
T=k’.Ф.I
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• Os variadores de velocidade operam na zona de Indução Bnominal (joelho da curva de magnetização)– A Velocidade máxima obtém-se
por redução de fluxo• Reduz o binário
– A potência mecânica útil éaprox. 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
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• 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
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Curvas características
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Inversão do sentido de rotação
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Formas de variação de velocidade• Por variação de tensão• Por variação da
resistência do induzido• Por variação de fluxo
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• Sistema de variação de velocidade Ward-Leonard
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• Controlo de velocidade
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Problemas de ventilação
Característica real binário-velocidade
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Regimes de operação
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Funcionamento normal
Frenagem
Frenagem reostática(ou dinâmica)
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Funcionamento normal Frenagem por Contra -Corrente
Frenagem
![Page 65: Aulas máquinas cc 2008](https://reader030.fdocumentos.tips/reader030/viewer/2022020219/55cc7710bb61eb301e8b463b/html5/thumbnails/65.jpg)
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Frenagem
• A contra – corrente émais eficaz (menor tempo de paragem)
• Reostática – mais utilizada, devido àsimplicidade
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Motores especiais
• Motor universal
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Motores especiais - Motor PCB
escovas
Espiras do rótor
electroímanes