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Apostila 8
Máquina de Corrente Contínua
A máquina CC é um dos 3 tipos básicos de máquinas elétricas (existem ainda máquinas síncronas e máquinas de indução) que tem sido largamente usada na indústria, principalmente quando se necessita de variação de velocidade, uma vez que ela é capaz de fornecer torque numa ampla faixa de velocidades. A sua importância vem diminuindo nos últimos anos devido ao fato de que máquinas de indução e máquinas síncronas alimentadas por conversores estáticos permitirem igualmente variação de velocidade bastante de forma muito eficiente. Neste capítulo é feita uma introdução sobre o princípio de funcionamento e principais características da máquina de corrente contínua.
1. Princípio de Funcionamento das Máquinas Elétricas
N S
u B
N S
L e
B
_
u
Figura 1 - Princípio de funcionamento das máquinas elétricas
Todas as máquinas elétricas funcionam segundo o princípio da indução eletromagnética, o qual se encontra ilustrado na figura 1. De acordo com este princípio, em todo condutor elétrico que se movimenta com uma dada velocidade dentro de um campo magnético surge uma tensão entre os seus terminais. A tensão obtida por meio deste fenômeno é chamada de tensão induzida, a qual é dada pela seguinte expressão:
e = B L⋅ ⋅ u (1)
e - tensão induzida (Volts)
B - indução magnética do campo (Tesla)
L - comprimento do condutor (m)
u - velocidade do campo na direção perpendicular ao campo magnético (m/s)
1.1 Princípio de Funcionamento Aplicado ao Gerador de Tensão
N S e
L
B
i +
_
u
N S
u B
Figura 2 - Princípio de indução aplicado ao gerador de tensão
F = B L⋅ ⋅ i (2)
B - indução magnética do campo (Tesla)
L - comprimento do condutor (m)
i - corrente no condutor (A)
F - força sobre o condutor na direção perpendicular ao campo magnético (Newton)
Desta forma, se no arranjo da figura 1 os terminais do condutor forem ligados a uma fonte de tensão de amplitude maior que a tensão gerada, haverá uma corrente circulando no condutor de sentido contrário ao caso anterior. Como o condutor se encontra no campo
x x^ x^ x x x
_
e
ωt
e(t)
Figura 4 - Tensão induzida numa espira do enrolamento do induzido sem comutador.
magnético pode-se medir uma força F que atua ao longo do condutor, como ilustrado na figura 3.
1.3 Princípio de Funcionamento da Máquina de Corrente Contínua
Os princípios explicados anteriormente são explorados de uma forma particular nos três tipos básicos de máquinas elétricas (síncronas, de indução e máquina CC).
Na máquina CC o campo magnético é criado por um conjunto de pólos, os quais são dispostos ao longo da periferia da parte externa fixa, chamada de estator (figura 4). Os pólos norte e sul são dispostos de forma alternada. O enrolamento que alimenta os pólos e que gera o campo magnético é chamado de enrolamento de campo. Este enrolamento é alimentado a partir de uma fonte de corrente contínua, produzindo assim um campo magnético constante ao longo do tempo, como ilustra a figura (4).
x x^ x^ x x x
escova
_
ωt
e(t)
Figura 5 - Tensão induzida numa espira, enrolamento elementar composto de uma espira, rotor provido de um comutador elementar com 2 lamelas.
mostrada na figura 4.
Dado que máquina CC se deseja obter uma tensão do tipo contínua, é necessário que as conexões da espira com o circuito externo na figura 5 sejam invertida a cada meio período de rotação da espira. Isto é feito por meio de um comutador mecânico. A figura 5 ilustra o princípio de um comutador elementar, composto de apenas duas lâminas (lamelas), que conectam os terminais da espira ao circuito externo. Este arrranjo é obtido da figura 4 acrescentado-se um comutador. A conexão da enrolamento da armadura passa a ser feita por meio de escovas que permanecem fixas sobre o comutador, que gira solidário com a armadura.
Assim, a ação do comutador faz com que a tensão nos terminais possua sempre a mesma polaridade. Usando-se apenas uma espira existe uma variação bastante acentuada na tensão induzida gerada; aumentando-se o número de espiras que giram no campo obtém-se uma tensão mais uniforme. A figura 6 mostra o caso onde existem 2 espiras girando no
x x^ x^ x x x
_
ωt
e(t)
Figura 7 - Tensão resultante induzida em duas espiras em série, enrolamento elementar, rotor provido de um comutador com 4 lamelas.
campo; o comutador possui neste caso 4 lamelas. Verifica-se que a tensão induzida está mais próxima de uma tensão contínua que no caso anterior.
Numa máquina real existe um grande número de espiras ligadas em série, de tal forma que a tensão é virtualmente uma tensão contínua. O comutador possui também um número muito grande de lamelas. A figura 7 ilustra o caso em que o número de espiras ligadas em série é bastante grande. O número de lamelas necessárias no comutador também é bastante grande.
As máquinas CC possuem assim, um terceiro componente básico chamado de comutador , cuja ação transforma a tensão alternada induzida em uma tensão contínua. O comutador está montado numa das extermidades da armadura e gira solidário com esta.
Sobre o comutador são montadas as escovas que permanecem fixas em relação ao estator. Elas são o elemento de conexão entre o circuito externo e o enrolamento da armadura.
2. Principais Partes Construtivas de uma Máquina CC
A seguir é feita uma descrição breve das principais partes construtivas de uma máquina
x x^ x _
x x
x x
x x x
x
x
x
carcaça (núcleo do estator)
pólo principal
enrolamento de compensação
pólo de comutação
enrolamento de comutação
escova enrolamnento da armadura
núcleodo rotor comutador enrolamento de excitação principal
enrolamento de excitação auxiliar (eventual)
sapata polar
eixo
Figura 8 - Corte transversal da máquina de corrente contínua mostrando as partes constituintes principais.
- Comutador : é constituido de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua.
- Eixo : é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada.
A figura 9 mostra um esquema dos principais enrolamentos das máquinas CC usuais. Deve- se notar que apenas o enrolamento da armadura e de campo são obrigatórios, os demais dependem das características que a máquina deve apresentar para a aplicação em questão.
A
B
C
D E
A - armadura B - comutação
C - compensação
D - campo auxiliar
E - campo principal
+ (^) Enrolamentos : _ (^) + _
Figura 9 - Esquema geral de conexão dos enrolamentos da máquna de corrente contínua
3. Principais Conexões dos Enrolamentos dos Motores CC
As características de potência, velocidade e torque da máquina CC estão intimamente ligadas à forma de conexão dos enrolamentos de campo e armadura. Assim, para cada aplicação específica deve-se conectar a máquina de uma certa forma. As três conexões básicas de uma máquina CC são apresentadas e discutidas abaixo.
A
E
+ _ (^) + _
Enrolamentos : A - armadura E - campo principal
V a V c Torque
Rotação
controle da armadura
controle do campo
Figura 10 - Esquema de conexão para excitação independente
A
E
+ _
Enrolamentos : A - armadura E - campo principal
V a Torque
Rotação
Figura 11 - Esquema de conexão para excitação série
3.3 Excitação Série
Neste tipo de conexão o enrolamento de campo é ligado em série com a armadura, sendo ambos percorridos pela mesma corrente. A rotação pode ser controlada por meio da tensão de armadura. A máquina adquire um alto torque de partida, o qual diminui com a rotação. Esta característica é muito interessante para aplicação em guindastes, tração elétrica, etc... Deve-se notar que o motor não deve trabalhar com cargas muito leves, uma vez que a rotação do mesmo tende a aumentar muito, podendo destruir o motor. A figura 11 ilustra esta conexão.
3.4 Excitação Mista
Muitas vezes se deseja um motor com característica intermédiaria entre a do motor com excitação independente e a do motor com excitação série. Para este fim utiliza-se a excitação mista (também chamada de excitação composta). Neste caso o enrolamento auxiliar de campo é ligado em série com a armadura e o enrolamento principal é ligado à uma fonte independente, conforme ilustrado pela figura 12. A característica de torque obtida se situa entre a curva dos dois casos anteriores. Esta conexão é utilizada quando se espera variações bruscas da carga acionada. A rotação pode ser controlada tanto pela tensão da armadura como pela tensão de campo.
4. Rendimento do Motor CC
O rendimento é definido como a relação em percentual entre a potência útil convertida no eixo (potência mecânica) dividido pela potência absorvida pela máquina (potência elétrica de entrada). A diferença entre ambas as quantidades se constituem nas perdas que ocorrem na máquina.
( ) η = ⋅ =
− P ⋅ P
P P P
m e
e p e
100 100
η - rendimento em percentual
Pm - potência mecânica (útil) no eixo
Pe - potência elétrica de entrada
As perdas que se verificam nas máquina elétricas são de diversas origens, elas geram calor e podem ser resumidas nas seguites:
- perdas mecânicas , devida ao atritos mecânicos nas partes girantes;
- perdas joule , é o calor gerado nos diversos enrolamentos devido à resistência elétrica dos mesmos;
- perdas no ferro , são de dois tipos : perdas por histerese e perdas por correntes parasitas.
Como a perdas dependem da condição de carga e da rotação elas não são constantes durante a operação da máquina. Desta forma o rendimento não se mantém igualmente constante. A figura 13 ilustra uma curva típica do rendimento de um motor CC em função da carga no eixo e em função da rotação. Pode-se verificar que o rendimento atinge um máximo em torno dos valores nominais para o qual foi projetado.
5. Valores Nominais
São os valores que definem os valores permitidos de operação da máquina sem que a mesma sofra prejuízos permamentes. Elas são definidas pelo fabricante, podendo também serem previamente especificadas pelo usuário. Em todas as máquinas são munidas de uma placa de identificação, onde os dados nominais são gravados. Os principais valores nominais da máquina CC são as seguintes:
- Potência nominal , é a máxima potência obtenível da máquina em operação contínua. A máquina não deve operar por longos períodos com potência maior que esta.
- Rotação nominal , é a rotação de trabalho da máquina. Caso a máquina se destina a trabalhar com velocidade variável, existe uma velocidade mínima e máxima.
- Tensão nominal de armadura , define a tensão de operação normal da máquina, não sendo possível operar com tensão superior a esta. Operação com tensão reduzida é possível, desde que a potência nominal seja reduzida na mesma proporção.
- Corrente nominal de armadura , define a tensão de operação normal da máquina, não sendo possível operar por longos períodos com corrente superior
(^25 50 75 100 125) carga (%)
η (% )
(^25 50 75 100) rotação (%)
η (%)
Figura 13 - Curvas típicas de rendimento para um motor CC
