Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia B

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1 Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia B Prof a. Katia C. de Almeida 1 Característica de Magnetização da Máquina de Corrente Contínua 1.1 Introdução Máquinas de corrente contínua (MCC) devem ser usadas em situações onde a versatilidade de operação é importante. Tais máquinas podem fornecer torques de partida elevados, assim como torques de aceleração e desaceleração elevados. São capazes também de inversões rápidas e suas velocidades podem ser controladas com relativa facilidade em comparação com todos os outros dispositivos de conversão eletromecânica de energia. Estas características fazem com que MCC tenham grande aplicação industrial. Infelizmente, necessidade de um retificador mecânico (comutador) para converter a f em CA induzida nas bobinas em tensão contínua torna este tipo de máquina mais frágil e mais cara do que as outras máquinas elétricas. As máquinas de corrente continua possuem três componentes básicos: (i) o enrolamento de campo, (ii) o enrolamento de armadura e (iii) o comutador que converte a tensão CA induzida na armadura em corrente contínua. A Figura 1 indica as características mais importantes da MCC. O estator é constituído por material ferromagnético em chapas equipado com uma estrutura saliente em torno da qual as bobinas são enroladas. A circulação de corrente contínua nas bobinas estabelece uma distribuição de campo magnético ao longo da periferia do entreferro de forma semelhante ao que ocorre com o rotor de uma máquina síncrona. Portanto, na MCC, o enrolamento de campo está no estator. Segue-se que o enrolamento de armadura está no rotor. O rotor é formado por um núcleo laminado que tem ranhuras para acomodar o enrolamento de armadura. O rotor também contém o comutador que se constitui de uma série de segmentos de cobre, isolados uns dos outros e colocados em um arranjo cilíndrico. Em cima do comutador e em contato com este estão as escovas de carbono, convenientemente dispostas, que servem para conduzir corrente contínua para ou do enrolamento de armadura, dependendo se a MCC opera como motor ou gerador. Supondo a operação da máquina na Figura 1 como motor, a corrente contínua, i, circula pelo Figura 1: Máquina de Corrente Contínua 1

2 enrolamento de campo e chega ao enrolamento de armadura pelas escovas. Com i entrando pela escova B 1, do lado esquerdo, no condutor de fora, a corrente circula para dentro do papel. Por conseguinte, do lado direito, no condutor de fora, a corrente circula para fora do papel. A interação entre a corrente e o campo magnético gera uma força em cada condutor, dando origem a um torque que causa rotação do rotor no sentido dos ponteiros do relógio. A função do comutador é assegurar que, quando o condutor 1 gira indo da posição atual para o lado direito de B 1, a corrente nele muda de sentido assegurando um torque unidirecional contínuo para todo o enrolamento de armadura. A inversão da corrente acontece porque o comutador permite a corrente circule sempre na mesma direção em cada um dos lados dos enrolamentos da armadura. Colocando-se as escovas numa linha perpendicular ao eixo do campo, todos os condutores contribuem para a produção de torque unidirecional. Se as escovas fossem colocadas em linha com o eixo do campo, metade dos condutores produziriam torque no sentido dos ponteiros do relógio e a outra metade no sentido contrário, produzindo torque nulo. 1.2 Geração de Tensões Unidirecionais A Figura 2.a indica o gráfico da densidade de fluxo produzida pelo enrolamento de campo em função do deslocamento ao longo da periferia do rotor. A Figura 2.b mostra uma máquina de dois pólos com um enrolamento de armadura constituído pela bobina a a. As extremidades das bobinas são conectadas ao comutador que está em contato com as escovas B 1 e B 2. Tem-se o seguinte comportamento para a fem induzida de armadura E a : Figura 2: Tensões Geradas Em 1 : E a = 0 pois os lados da bobina se encontram em pontos com densidade de fluxo zero. 2

3 Em 2 : existe fem induzida em cada lado da bobina e seu módulo é proporcional ao valor de densidade de fluxo B f assim como à velocidade e ao comprimento de cada lado da bobina. O sentido da tensão induzida no lado a é tal que torna a polaridade de B 1 positiva. Em 3 : E a = 0 pois cada lado da bobina se encontra sob densidade de fluxo nula. Em 4 : o lado a está sob influência do pólo sul tendo assim uma fem de polaridade invertida. Entretanto, está em contato com B 2, o que mantém esta escova com polaridade negativa. Portanto, a tensão que aparece na escova é unidirecional por causa do efeito do comutador (Figura 2.c). A onda resultante neste caso não é satisfatória porque seu módulo não é constante. Entretanto pode-se ter E a quase constante distribuindo-se o número de bobinas de armadura e colocando-se um grande número de ranhuras por pólo no rotor. 1.3 Tipos de Geradores de Corrente Contínua Na MCC funcionando como gerador, a energia mecânica é entregue ao rotor e uma carga elétrica é conectada nos terminais de armadura. Para fornecer energia elétrica para a carga, contudo, um campo magnético deve ser estabelecido no entreferro para que haja acoplamento magnético, permitindo a transferência de energia do sistema mecânico para o sistema elétrico. Existem dois modos de energizar o enrolamento de campo: (i) excitá-lo com uma fonte auxiliar e (ii) auto-excitação. Estes dois modos dão origem a dois tipos de geradores: o excitado por uma fonte externa (Figura 3.a) e o gerador em derivação auto-excitado (Figura 3.b). (a) Independente (b) Em Derivação Figura 3: Tipos de Excitação da MCC 1.4 Curva de Magnetização da MCC Tanto o torque eletromagnético como a tensão gerada numa máquina depende das taxas de variação dos fluxos nos enrolamentos das máquinas. Para uma fmm específica, os fluxos dependem da relutância do ferro presente no circuito magnético e do entreferro da máquina. A saturação do meio magnético pode portanto influenciar fortemente as características das máquinas. Sendo assim, muitos esforços são feitos para reproduzir as condições magnéticas no entreferro corretamente. Dados essenciais para o tratamento da saturação são obtidos da curva de magnetização da máquina. Rigorosamente falando, a curva de magnetização representa o gráfico do fluxo no entreferro (Φ) versus a fmm de enrolamento de campo (I). Entretanto, no gerador CC com constante de enrolamento, K E conhecida e com velocidade em rpm, n, fixa tem-se que E a = K E Φn 3

4 Figura 4: Curva de Magnetização onde K E = pz 60a, sendo p o número de pólos da máquina, Z o número total de condutores no enrolamento de armadura e a o número de caminhos paralelos do enrolamento de armadura. Por outro lado, tem-se que I é proporcional à corrente de campo da máquina. Sendo assim, a curva de magnetização representa um gráfico a tensão de armadura induzida em circuito aberto em função da corrente de campo da máquina (Figura 4). Da Figura 4 vemos que se a corrente de campo é igual a zero, a fem induzida tem valor 0a. O valor não nulo se deve ao magnetismo residual da máquina. Na Figura 4 é também indicada a reta da resistência de campo que é o gráfico da corrente gerada pela tensão aplicada à associação série do enrolamento de campo e da parte ativa do reostato de campo. Sendo assim, a declividade da reta é igual à soma da resistência de enrolamento de campo (R f ) com a resistência ativa do reostato (R rh ). A curva de magnetização ajuda a compreensão do processo de auto-excitação da máquina. O magnetismo residual 0a causa a circulação de uma corrente de campo 0b que, por sua vez, contribui para o fluxo residual produzindo uma fem induzida de valor bc maior do que 0a. Este processo de aumento de E a continua até que a fem induzida produza apenas corrente de campo suficiente para sustentá-la (ponto f da figura). Para que o crescimento da f em de armadura ocorra (escorvamento da tensão) é necessário portanto que: (i) exista um fluxo magnético residual; (ii) a fmm do enrolamento de campo ajude o fluxo residual e; (iii) a resistência do circuito de campo seja inferior ao valor da Resistência de Campo Crítica que é o valor de resistência que faz com que a reta da resistência coincida com o trecho linear da curva de saturação. Já que a curva de magnetização fornece dados importantes sobre a máquina, este primeiro ensaio com MCC é feito para se obter esta curva de magnetização. 1.5 Ensaio Para este ensaio, a MCC será acionada como um gerador. O eixo da MCC receberá torque mecânico vindo da máquina síncrona que será ligada como um motor Procedimento (veja esquema em anexo) 1. Partir a máquina síncrona como motor (anexo). 2. Com a fonte de corrente contínua, alimentar o campo da MCC que irá trabalhar como gerador. 4

5 (a) Colocar tensão um pouco acima da nominal ( 250V cc ) através da variação da corrente de campo. (b) Reduzir a a excitação de campo de modo que a tensão na armadura caia de 10 em 10 volts, anotando E a e I f (tensão de armadura e corrente de excitação do campo). (c) Desenhar a curva E a I f. 3. Desligar a bancada. Anexo: Procedimento experimental para colocar a máquina síncrona em funcionamento como motor. 1. Colocar o terminal A (ver esquema) no descanso D. Curto-circuitar o amperímetro de armadura do motor síncrono. Curto-circuitar o enrolamento de campo do motor síncrono. 2. Com o varivolt aplicar tensão nominal (V linha = 230V ) no motor síncrono., que partirá então como motor de indução visto que os amortecedores funcionam como gaiola. 3. Retirar o curto-circuito do enrolamento de campo. Colocar o terminal A no ponto 2 e ligar a rede de corrente contínua. Sincronizar o motor colocando corrente no campo através do reostato de campo ( 0.4A). Retirar o curto-circuito do amperímetro de armadura. Para desligar o motor síncrono, curto-circuitar o amperímetro, cortar alimentação em corrente contínua, zerar a tensão alternada de alimentação com o varivolt. 1.6 Bibliografia 1. Del Toro, V.; Electromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems. New Jersey (USA), Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, Sadowski, N.; Notas de Aula - Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia B. 5

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