Características Básicas das Máquinas de Corrente Contínua
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1 Características Básicas das Máquinas de Corrente Contínua (Roteiro No. 6) Universidade Federal de Juiz de Fora Departamento de Energia Elétrica Juiz de Fora, MG Brasil 2018 (UFJF) Lab. Maq. I / 44
2 Introdução As máquinas CC se caracterizam por sua versatilidade; Seus enrolamentos de campo podem ser do tipo: excitação independente, em derivação (shunt) e série, ou uma combinação dessas duas últimas; Podem ser projetadas de modo a apresentar uma ampla variedade de características de tensão versus corrente (geradores CC) ou de velocidade versus torque (motores CC) para operação dinâmica e em regime permanente. Devido à facilidade que estas podem ser controladas, os motores CC foram muito utilizados no passado em aplicações onde era necessária uma ampla faixa de variação velocidade. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
3 Objetivos Os objetivos desse módulo são: i. Permitir ao aluno ter contato com motores e geradores em corrente contínua; ii. Discutir as principais características destas máquinas; iii. Apresentar de forma generalizada os testes que podem ser feitos para identificar os terminais dos circuitos de armadura e de campo. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
4 Características básicas A tensão induzida nos condutores da armadura (parte rotativa) é coletada por meio de um comutador rotativo e escovas de carvão estacionárias. N Φ S E a I F Field Armature (a) (b) Figura 1: (a) seção reta de uma máquina de dois polos, (b) circuito equivalente. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
5 Processo de comutação Comutador e escovas formam um retificador mecânico rotativo que converte a tensão da armadura em corrente contínua; ω N S Comutador de dois segmentos e ind Escovas estacionárias Figura 2: Representação do comutador de dois segmentos (UFJF) Lab. Maq. I / 44
6 Processo de comutação As escovas de carvão são posicionadas de maneira que a comutação ocorra quando os lados da bobina estão na zona ou plano magnético neutro. Figura 3: funcionamento do comutador de dois segmentos. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
7 Escovas e comutador Figura 4: Detalhe da escova e do comutador da máquina CC. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
8 Escovas e comutador Figura 5: Detalhe da escova e do comutador da máquina CC. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
9 Geradores e motores em CC A tensão interna gerada e o conjugado (torque) eletromagnético desenvolvidos nos geradores e motores são dados por: E a = K e! m (1) ele = K t I a (2) Onde K e é uma constante eletromecânica, K t é uma torque de conjugado,! m é a velocidade mecânica da máquina CC e I a éa corrente de armadura. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
10 Tipos de geradores CC De acordo como os circuitos de armadura e campo são conectados pode-se ter geradores e motores com diferentes características terminais: I F R F I A R A I L V F N F E A V t Figura 6: Excitação independente. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
11 Tipos de geradores CC I F I A I L R F R A V F N F E A V t Figura 7: Excitação em derivação. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
12 Tipos de geradores CC I S I A R A I L N S E A V t Figura 8: Excitação série. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
13 Tipos de geradores CC R A N S I F E A N F V t Figura 9: Excitação composta. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
14 Reação de armadura A reação da armadura distorce o fluxo magnético principal da máquina ( f ), devido a circulação da corrente de carga pela armadura, sendo responsável por: Deslocar do plano magnético neutro (PMN); Enfraquecer do fluxo principal da máquina. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
15 Reação de armadura O plano magnético neutro da máquina: PMN ω φ f φ f φ f Figura 10: Campo principal e PNM sem carga. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
16 Reação de armadura I PMN I φ a ω φ a φ a φ R φ R φ R (a) I (b) I Figura 11: Representação da reação da armadura: (a) campo da armadura; (b) deslocamento do plano magnético neutro. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
17 Gerador CC com excitação independente I F R aj R F I A V esc R A R I R C I L V F N F E A V t CARGA Circuito de campo: 8 < V f =(R aj R f ) I f : F F = N f I f Circuito de armadura: 8 I a = I L >< V t = E a (R a R i R c ) I a V esc >: E a = k! (UFJF) Lab. Maq. I / 44
18 Característica de magnetização: Φ ω (constante) N Φ S E a I F Ea = Vt vazio If (A) 8 < : E a / 8! constante. (constante) (UFJF) Lab. Maq. I / 44 If (A)
19 Ea = Vt vazio Para I f = cte ) 8 < : = cte: p/! =! 1! E a1 = k 0! 1 p/! =! 2! E a2 = k 0! 2 De onde tira-se: E a1 E a2 = k 0! 1 k 0! 2 If = cte! 1 <! 2 <! 3 If (A) Que finalmente pode ser escrito: E a1 =! 1 E a2! 2 (UFJF) Lab. Maq. I / 44
20 Característica terminal: Hipóteses iniciais: 1 Gerador CC opera com velocidade (!) e fluxo ( ) constantes; 2 Quedas de tensão em R i e R c são desprezíveis. I a = I L e, E A V T V T1 R A I A V t = Ea (R a I L ) " I A1 I L = I A (UFJF) Lab. Maq. I / 44
21 Contudo a REAÇÃO DA ARMADURA enfraquece o fluxo polar; O enfraquecimento de diminui a amplitude da tensão induzida E a. V t = Ea # (R a I L ) " V T E A R A I A V T1 reacao, ~ da armadura I A1 I L = I A (UFJF) Lab. Maq. I / 44
22 Gerador CC shunt: I F R aj I A R A I L V F R F N F E A V t CARGA Circuito de campo: 8 V f = V t >< Circuito de armadura: 8 I a = I L I f >< V t =(R aj R f ) I f V t = E a R a I a >: F F = N f I f >: E a = k! (UFJF) Lab. Maq. I / 44
23 O processo de autoexcitação: Ea = Vt vazio circuito de campo 1 circuito da armadura (Ea) A tensão de operação a vazio é obtida resolvendo o sistema: 8 < V t =(R aj R f ) I f ou, : V t = E a R a I a Ea RESIDUAL If (A) 8 < : V t =(R aj R f ) I f E a = V t R a I a (UFJF) Lab. Maq. I / 44
24 Motivos que impedem a autoexcitação do gerador shunt: 1 Ausência de magnetismo residual (E ares = 0); 2 Circuito de campo aberto (I f = 0); 3 Circuito de armadura aberto ou mau contato entre as escovas ( V esc = E ares ) 4 Resistência de campo (R f ) maior que o valor crítico (R fcrítico ). Rf 4 Rf C Rf 3 Vt Rf 2 Rf 1 1 Ea RESIDUAL If (A) (UFJF) Lab. Maq. I / 44
25 A velocidade de rotação do gerador shunt também pode influenciar sua auto-excitação. A figura abaixo mostra como a curva característica e a resistência crítica variam com!. Rfc 1 Rfc 2 Rf Vt Rfc Ea RESIDUAL If (A)! 1 >! 2 >! 3 (UFJF) Lab. Maq. I / 44
26 Característica terminal: A característica terminal do gerador shunt é influenciada pela a tensão de terminal que é a própria mesma tensão usada na alimentação do campo. 1 A medida que a carga consome corrente mais corrente (I L )a corrente de armadura do gerador (I a ) também aumenta; 2 O efeito da REAÇÃO da ARMADURA e a queda de tensão em R a I a reduzem a tensão terminal V t do gerador; 3 A diminuição da tensão terminal V t por sua vez enfraquece o fluxo da máquina devido a redução de I f. I a "= I L " V t #= Ea # (R a I L ) " I f #= V t # (R aj R f ) Desse modo E a diminui devido à reação da armadura e devido à diminuição de I f. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
27 V T E A R A I A V T1 reacao, ~ da armadura diminuicao, ~ da corrente If I A1 I L = I A (UFJF) Lab. Maq. I / 44
28 Gerador CC série: I A R A I S R F N F I L E A Campo serie V t CARGA Circuito de campo: 8 < : I s = I a = I L F s = N s I s Circuito de armadura: 8 < V t = E a (R a R s ) I a : E a = k! F RES = N s I s F AR onde F AR é a força magnetomotriz de reação da armadura. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
29 Característica terminal: Vt 1 (Ra Rs) Is Area de operacao, ~ do gerador serie Ea RESIDUAL IL (A) (UFJF) Lab. Maq. I / 44
30 Gerador CC composto: I A R A I S R S N S I L E A Campo serie Campo shunt I F R F N F V t CARGA (composto longo) Circuito de campo: 8 >< >: V f = V t V t =(R aj R f ) I f F f = N f I f F s = N s I s F RES = N f I f ± N s I s F AR Circuito de armadura: 8 I a = I L I f >< I a = I s V >: t = E a (R a R s ) I a E a = k! (UFJF) Lab. Maq. I / 44
31 I S R S N S I L Campo shunt I F R F N F I A R A E A Campo serie V t CARGA (composto curto) Circuito de campo: 8 V f = V t R a I a >< V t =(R aj R f ) I f F f = N f I f F >: s = N s I s F RES = N f I f ± N s I s F AR Circuito de armadura: 8 >< >: I a = I L I f I L = I s V t = E a R a I a R s I L E a = k! (UFJF) Lab. Maq. I / 44
32 Característica terminal de geradores CC V T E A HIPERcomposto Composto PLANO (normal) Shunt Composto diferencial HIPOcomposto I N I L Figura 12: Características terminal de geradores CC: tensão versus corrente. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
33 Motores de Corrente Contínua I F R F I A R A I L V F N F E A V t ω mec T mec T ele CARGA Máquina CC operando como MOTOR: 1 Inicialmente a máquina se encontra em repouso (! m = 0); 2 Alimenta-se o circuito de campo da máquina ( 6= 0); 3 Alimenta-se o circuito de armadura a partir de uma fonte de tensão independente: (UFJF) Lab. Maq. I / 44
34 Motor CC com excitação independente I F R aj I A R F Vesc R A R I R C I L VF NF E A Vt FONTE Circuito de campo: 8 < : V f =(R aj R f ) I f F mm = N f I f Circuito de armadura: 8 I a = I L >< V t = E a (R a R i R c ) I a E >: a = k e! m ele = k t I a V esc (UFJF) Lab. Maq. I / 44
35 Motor CC Shunt V I esc A R A R I L I E A (R F R aj ) N F I F V t FONTE Circuito de campo: 8 < : V t = V f =(R aj R f ) I f F mm = N f I f Circuito de armadura: 8 I a = I L I f >< V t = E a (R a R i ) I a E >: a = k e! m ele = k t I a V esc (UFJF) Lab. Maq. I / 44
36 Característica terminal do motor shunt Desprezando as perdas: ele =( carga perdas ) carga (3) Desprezando as quedas de tensão (escovas e enrolamento de interpolo): Substituindo (6) e (5) em (4) tem-se: V t = E a R a I a (4) E a = k e! m (5) ele = k t I a (6)! m = V t k R a (k ) 2 ele (7) (UFJF) Lab. Maq. I / 44
37 Curva característica ω m V T k φ R a (kφ) 2 τ carga τ ele! (%) =! vazio! plena carga! plena carga 100% (8) (UFJF) Lab. Maq. I / 44
38 A REAÇÃO DA ARMADURA enfraquece o fluxo polar; O enfraquecimento de diminui a amplitude da tensão induzida E a forçando o aumento da corrente I a, do torque ele e consequentemente da velocidade do motor ω m V T k φ R a (kφ) 2 Com RA Sem RA τ carga τ ele (UFJF) Lab. Maq. I / 44
39 Controle de velocidade de Motores Shunt Da observação de! m = V t k R a (k ) 2 ele Tem-se três estratégias básicas de controle para a velocidade do motor CC. 1 Variação do fluxo magnético ( ) produzido no campo através do ajuste da resistência (R aj ); 2 Variação da tensão de alimentação da armadura (V a ); 3 Conexão de uma resistência adicional em série com o circuito da armadura (R ad ); (UFJF) Lab. Maq. I / 44
40 Variação do fluxo magnético ( ): ω m I A I L ω m2 R > F2 RF1 R A R F ω m1 Vt E A NF I F R F2 R F1 τ carga τ ele (UFJF) Lab. Maq. I / 44
41 Variação da tensão de armadura (V a ): ω m I A I L V A1 k φ R a (kφ) 2 E A R A VA CONVERSOR CC CC R F NF I F Vt V A2 V A3 V A4 k φ k φ k φ τ carga τ ele (UFJF) Lab. Maq. I / 44
42 Variação da resistência de armadura (R ad ): ω m R A I A R ad R F I L ω m R a < R a1 < R a2 < R a3 Vt E A NF I F R a R a1 R a2 τ carga R a3 τ ele (UFJF) Lab. Maq. I / 44
43 Característica terminal de motores CC ω mec ω 0 Shunt Serie Composto τ nom τ ele Figura 13: Características terminal de motores CC: torque versus velocidade. (UFJF) Lab. Maq. I / 44
44 Ensaios 1 Ensaio a vazio: ) usado para determinar as perdas rotacionais do motor Perdas rotacionais = E avaz I avaz 2 Ensaio de rotor bloqueado: ) usado para determinar a resistência da armadura R a = V t I anom V esc (UFJF) Lab. Maq. I / 44
Geradores de Corrente Contínua:
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