Máquinas Elétricas. Máquinas CC Parte II

Transcrição

1 Máquinas Elétricas Máquinas CC Parte II

2 Máquina CC

3 Máquina CC

4 Máquina CC comutação A comutação é o processo de converter as tensões e correntes CA do rotor de uma máquina CC em tensões e correntes CC em seus terminais.

5 Máquina CC

6 Máquina CC comutação

7 Máquina CC

8 Máquina CC proponha a sua com dois polos e quatro enrolamentos

9 Máquina CC

10 Máquina CC

11 Máquina CC

12 Máquina CC

13 Máquina CC dois polos e quatro espiras

20 Máquina CC importante

21 Comutação

25 Máquina CC considerações

28 Máquina CC considerações Quando uma máquina possui mais que dois polos, é conveniente concentrar a atenção sobre um único par de polos. Condições elétricas, mecânicas e magnéticas associadas a qualquer outro polo irão ser replicações do par escolhido para análise.

29 Máquina CC comutação e construção da armadura Existem diversas formas de efetuarmos a conexão das espiras do rotor (enrolamento de armadura). Estas diferentes formas de conexão afetam o número de caminhos em paralelo para a corrente, a tensão de saída e a posição das escovas que friccionam os segmentos comutadores.

30 Máquina CC comutação e construção da armadura A maioria dos enrolamentos do rotor consiste em bobinas pré-fabricadas que são inseridas nas ranhuras de armadura como uma peça única. Cada bobina consiste em diversas espiras de um fio condutor e cada espira é encapada e isolada das demais espiras e da ranhura do rotor.

31 Máquina CC comutação e construção da armadura

33 Máquina CC comutação e construção da armadura O número de condutores da armadura da máquina é dado por: Z 2CN a C Nesta equação, temos: Z a : número de condutores do rotor (armadura) C: número de bobinas do rotor N C : número de espiras por bobina

34 Máquina CC comutação e construção da armadura Normalmente, uma bobina abrange 180 graus elétricos. Isso significa que quando um lado está debaixo do centro de um dado polo magnético, o outro lado está debaixo do centro de um polo de polaridade oposta. É importante notar que, fisicamente, estes lados podem não estar formando um ângulo de entre si. A relação entre ângulo elétrico e ângulo mecânico é dado por: e 2 P m Nesta equação, temos: θ e : ângulo elétrico (graus ou radianos) θ m : ângulo mecânico (graus ou radianos) P: número de polos magnéticos da máquina (enrolamento de campo)

35 Máquina CC comutação e construção da armadura e 2 P m

36 Máquina CC comutação e construção da armadura Uma bobina de passo pleno é uma bobina que abrange 180 graus elétricos em todos os instantes. Assim, as tensões nos condutores de ambos os lados da bobina serão exatamente as mesmas em valor, porém, terão sinais opostos. Se a bobina for construída abrangendo menos que 180 graus elétricos, denominamos esta bobina como de passo encurtado. Esta opção pode ser utilizada para melhorar a comutação. O grau de encurtamento de um enrolamento é descrito por um fator de passo (p), definido por:

37 Máquina CC comutação e construção da armadura Um enrolamento de camada dupla é uma opção em que em cada ranhura do rotor temos duas bobinas diferentes inseridas. Um lado de cada bobina estará no fundo de uma ranhura e o outro lado estará no topo na outra ranhura.

38 Máquina CC comutação e construção da armadura A distância (em número de segmentos) entre os segmentos do comutador aos quais os dois lados de uma bobina estão conectados é denominado passo de comutação (y C ). Se o lado final de uma bobina for conectado a um segmento do comutador que está à frente do segmento ao qual está conectado o lado inicial, então, este enrolamento é denominado enrolamento progressivo. Se o lado final de uma bobina for ligado a um segmento do comutador que está atrás do segmento ao qual está conectado o lado inicial, este recebe a denominação de enrolamento regressivo. Se todas as bobinas forem conectadas da mesma forma, então, temos uma inversão no sentido de rotação (motor) ou na polaridade da fem induzida gerada (gerador) quando comparamos estes dois tipos de conexão.

39 Enrolamento imbricado

40 Máquina CC comutação e construção da armadura Um enrolamento imbricado ou em série simples (ou simplex) é um enrolamento de rotor que consiste em bobinas que contêm uma ou mais espiras de fio com os dois lados de cada bobina ligados a segmentos de comutação adjacentes. Se o lado final da bobina estiver conectado ao segmento que segue ao segmento ao qual está conectado o lado inicial da bobina, então, se trata de um enrolamento imbricado progressivo com y c = 1. Caso tenhamos um enrolamento regressivo, o passo de comutação será y c = 1.

41 Máquina CC comutação e construção da armadura Uma característica importante dos enrolamentos imbricados simples é que há tantos caminhos de corrente em paralelo através da máquina quantos forem os polos existentes na mesma. Sendo C o número de bobinas e de segmentos comutadores presentes no rotor e P o número de polos na máquina, então, haverá C/P bobinas em cada um dos P caminhos de corrente em paralelo que passam pela máquina. Com isso, temos a necessidade de P escovas para conectar esses caminhos de corrente.

46 O grande problema neste tipo de enrolamento é que, havendo desbalanceamento entre bobinas nos caminhos paralelos (quer por problemas construtivos, quer por problemas físicos e/ou desgastes na operação) teremos correntes circulando pelas bobinas além daquelas relacionadas à operação normal do equipamento. Com isso, temos correntes além das projetadas circulando pelas escovas e, como resultado, aquecimento e maior degradação estrutural do equipamento. Máquina CC comutação e construção da armadura

48 Uma forma de reduzir estas correntes não desejadas circulando pelos caminhos paralelos é a utilização de enrolamentos equalizadores ou de equalização (barras que curto-circuitam pontos de mesmo nível de potencial elétrico em caminhos paralelos diferentes). Com isso, minimizam-se os percursos das correntes e evita-se que estas percorram as escovas, Além disso, podemos conseguir alguma compensação para o desequilíbrio de fluxo que originou estas correntes não desejáveis. Máquina CC comutação e construção da armadura

49 Máquina CC comutação e construção da armadura Se o enrolamento imbricado for múltiplo (multiplicidade m), haverá m conjuntos de enrolamentos completamente independentes alojados no rotor e cada segmento comutador estará conectado a um dos conjuntos. Assim, uma bobina individual termina m segmentos do comutador após o segmento na qual a mesma foi iniciada e y C m (o sinal depende do fato de termos um enrolamento progressivo ou regressivo). Como cada conjunto de enrolamentos tem tantos caminhos de corrente quanto há polos na máquina, então, em um enrolamento imbricado múltiplo haverá m vezes o número de caminhos de corrente do enrolamento imbricado simples (ou o número de caminhos paralelos será mp).

51 Enrolamento ondulado

52 Máquina CC comutação e construção da armadura No enrolamento ondulado ou em série cada segunda bobina do rotor termina com uma conexão a um segmento do comutador que é adjacente ao segmento ligado ao início da primeira bobina. Assim, entre segmentos adjacentes do comutador, há P/2 bobinas em série. Como cada par de bobinas entre segmentos adjacentes tem um lado debaixo de cada face polar, todas as tensões de saída serão a soma dos efeitos de todos os polos, não podendo ocorrer desequilíbrios de tensão.

53 Máquina CC comutação e construção da armadura A terminação da segunda bobina pode ser conectada ao segmento que está após (progressivo) ou antes (regressivo) do segmento no qual inicia a primeira bobina. Se houver P polos na máquina, haverá P/2 bobinas em série entre segmentos adjacentes do comutador. Se a bobina de número P/2 for conectada ao segmento posterior à primeira bobina, o enrolamento será progressivo e, se for conectada ao segmento anterior à primeira bobina, o enrolamento será regressivo.

54 Em um enrolamento ondulado simples há apenas dois caminhos de corrente. Considerando C o número de bobinas, então: Se C é par, há C/2 ou metade dos enrolamentos Se C é ímpar, há C/2 + 1 ou metade mais um dos enrolamentos em cada caminho de corrente. As escovas dessa máquina estarão separadas entre si por um passo polar pleno. Máquina CC comutação e construção da armadura

56 Máquina CC comutação e construção da armadura Considerando C o número de bobinas e P o número de polos da máquina, a expressão geral que dá o passo do comutador para qualquer enrolamento ondulado será: 2( C 1) y C P Por exemplo, isto quer dizer que o final de uma bobina em um enrolamento ondulado de quatro polos deve ser conectado exatamente antes ou após o ponto a meio caminho sobre o círculo desde o ponto de partida.

57 Máquina CC comutação e construção da armadura Havendo dois caminhos de corrente através de um rotor com enrolamento ondulado simples, serão necessárias apenas duas escovas para coletar a corrente. Isso ocorre porque os segmentos que estão passando por comutação ligam os pontos de uma mesma tensão debaixo de todas as faces polares. Assim, se desejado, mais escovas podem ser acrescentadas em pontos distanciados de 180 graus elétricos porque estão no mesmo potencial e estão conectadas entre si pelos fios que passam por comutação na máquina. O acréscimo de escovas pode se interessante pois podemos reduzir a quantidade de corrente coletada por escova.

58 Máquina CC comutação e construção da armadura Enrolamentos ondulados são bem adequados à construção de máquinas CC de tensão mais elevada. Um enrolamento ondulado múltiplo é um enrolamento com múltiplos conjuntos independentes de enrolamentos ondulados no rotor. Esses conjuntos extras de enrolamentos têm dois caminhos de corrente cada e, assim, o número de caminhos de corrente pode ser multiplicado pela multiplicidade de enrolamentos.

59 Problemas na comutação

60 Máquina CC reação de armadura Em um motor elétrico e em um gerador com carga conectada, temos corrente elétrica percorrendo os enrolamentos da armadura (tipicamente no rotor). Essa corrente produzirá um campo magnético próprio que irá distorcer o campo magnético original dos polos da máquina. Essa distorção do fluxo de uma máquina ocorrerá, também, se alterarmos a carga. A essa distorção denominamos reação de armadura.

61 Máquina CC reação de armadura

62 Máquina CC

63 Máquina CC reação de armadura

64 Máquina CC

65 Máquina CC

66 Máquina CC reação de armadura O primeiro problema causado pela reação de armadura é o deslocamento do plano neutro. O plano neutro magnético (neutro magnético) é definido como o plano no interior da máquina onde a velocidade dos condutores do rotor é exatamente paralela às linhas do fluxo magnético de modo que a fem induzida nos condutores é zero. Quando ocorre o deslocamento do neutro magnético, as escovas, que deveriam curto-circuitar segmentos quando a fem induzida é zero, acabam de efetuar esta operação quando temos uma fem não nula e, como resultado, temos circulação um fluxo de corrente ocasionando arcos e faiscamento nas escovas. Como consequência, temos redução da vida útil das escovas e corrosão de segmentos do comutador.

67 Máquina CC reação de armadura O segundo problema é o chamado enfraquecimento de fluxo. A maioria das máquinas opera com densidade de fluxo próximo do ponto de saturação. Assim, a diminuição no fluxo médio em uma face polar contribui para redução da fem induzida (gerador) ou do torque (motor).

68 Máquina CC tensões Ldi/dt Quando os segmentos do comutador são colocados em curto pelas escovas temos um problema denominado pico indutivo de tensão. Quando segmentos do comutador são colocados em curto, a corrente neste segmento deve ser invertida. Assim, temos uma grande variação da corrente em um tempo muito curto. Mesmo com uma indutância mínima na espira, um pico de tensão v = Ldi/dt muito significativo será induzido no segmento do comutador em curto. Naturalmente, essa tensão elevada causa faiscamento nas escovas da máquina, causando formação de arcos.

69 Máquina CC tensões Ldi/dt Quando os segmentos do comutador são colocados em curto pelas escovas temos um problema denominado pico indutivo de tensão. Quando segmentos do comutador são colocados em curto, a corrente neste segmento deve ser invertida. Assim, temos uma grande variação da corrente em um tempo muito curto. Mesmo com uma indutância mínima na espira, um pico de tensão v = Ldi/dt muito significativo será induzido no segmento do comutador em curto. Naturalmente, essa tensão elevada causa faiscamento nas escovas da máquina, causando formação de arcos.

70 Máquina CC soluções de problemas DESLOCAMENTO DAS ESCOVAS Solução que acaba por agravar o enfraquecimento do fluxo de campo. Não resolve os problemas de tensões Ldi/dt. A força magnetomotriz do rotor passa a ter uma componente vetorial que se opõe à força magnetomotriz dos polos. A alteração na distribuição da corrente de armadura faz com que o fluxo concentre-se ainda mais nas partes saturadas das faces polares. Ajustes ficam dependentes da carga.

71 Máquina CC soluções de problemas POLOS DE COMUTAÇÃO OU INTERPOLOS Procura-se garantir que, durante a comutação, a tensão nos segmentos curto-circuitados seja efetivamente nula. Para se conseguir isso, polos de comutação ou interpolos são colocados a meio caminho entre os polos principais de forma a ficarem diretamente sobre os condutores que passam pela comutação e sejam capazes de gerar uma fem que anule aquelas geradas pela operação normal da máquina. Esses polos de comutação devem ser tão pequenos que não venham a afetar os condutores que não estejam passando por eles e, também, não venha a ser capazes de alterar o fluxo de campo da máquina.

72 Máquina CC soluções de problemas POLOS DE COMUTAÇÃO OU INTERPOLOS Para se conseguir este cancelamento da tensão no segmentos do comutador, simplesmente efetua-se uma ligação em série dos enrolamentos dos interpolos com os enrolamentos do rotor. À medida que a carga e a corrente do rotor aumentam, o deslocamento do plano neutro e os efeitos Ldi/dt também crescem. Com a ligação em série, o fluxo do interpolo também aumenta, se opondo à tensão produzida e, assim, consegue-se cancelar os efeitos geradores.

73 Máquina CC soluções de problemas POLOS DE COMUTAÇÃO OU INTERPOLOS Em um gerador, os interpolos devem ter a mesma polaridade que o polo principal seguinte que se aproxima. Em um motor, os interpolos devem ter a mesma polaridade que o polo principal anterior que se afasta.

74 Máquina CC soluções de problemas POLOS DE COMUTAÇÃO OU INTERPOLOS O uso de polos de comutação não alteram nada em relação à distribuição de fluxo debaixo das faces polares. Assim, o problema de enfraquecimento de fluxo continua presente.

75 Máquina CC soluções de problemas ENROLAMENTOS DE COMPENSAÇÃO Para motores operando com grande carga, o problema de enfraquecimento de fluxo pode ser sério. Para cancelamento da reação de armadura, eliminando, simultaneamente, o deslocamento de plano neutro e o enfraquecimento de fluxo, temos a possibilidade da colocação de enrolamentos de compensação. Estes enrolamentos são colocados em ranhuras abertas nas faces polares, paralelamente aos condutores do rotor, e, assim, pode-se obter o cancelamento dos eventos associados à reação de armadura.

76 Máquina CC soluções de problemas ENROLAMENTOS DE COMPENSAÇÃO Para conseguirmos a ação desejada, devemos conectar esse enrolamento com o enrolamento do rotor. Assim, qualquer alteração na carga do rotor provocará alteração da corrente no enrolamento de compensação. Um detalhe importante é que esse enrolamento não dispensa a utilização dos interpolos para se obter o cancelamento das tensões Ldi/dt.

77 Máquina CC

78 Máquina CC

79 Máquina CC

80 FIM