MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

Transcrição

1 ÁQUIAS DE CORRETE COTÍUA 1 - ITRODUÇÃO As máquias elétricas rotativas, geralmete, podem operar como motor ou como gerador. Desta forma, o fluxo de potêcia elétrica pode estar etrado a máquia, o que caracteriza a operação como motor, ou saido da máquia, estabelecedo assim, o fucioameto como gerador. A máquia de correte cotíua ão foge à regra, podedo, em acioametos de correte cotíua, operar tato como motor quato como gerador. Quado foi ivetada a máquia de correte cotíua tiha como fução pricipal a operação como gerador, forecedo eergia elétrica para sistemas de ilumiação. Atualmete, sua aplicação como gerador está, a maioria das vezes, restrita a situações de freagem, como será visto posteriormete. Quado a máquia opera como motor, que é sua pricipal fução o acioameto, ocorre a trasferêcia de potêcia mecâica da máquia para carga e o cojugado (torque) desevolvido pelo motor provoca o movimeto do cojuto. Está mostrado a figura 1 este estado operacioal. EERGIA F O T E CC CARGA Figura 1 - áquia operado como motor. Quado a máquia opera como gerador, ocorre a trasferêcia de eergia da carga (armazeada pelas massas em movimeto) para a máquia e o cojugado desevolvido pela máquia atua cotra o movimeto, provocado a freagem do acioameto, que é o pricipal objetivo este modo de operação. A figura 2 idica este modo de operação. As figuras 1 e 2 mostram os dois estados operacioais, idicado o fluxo de eergia e a ação do cojugado desevolvido pela máquia em relação ao setido de rotação. 2

2 EERGIA F O T E GCC CARGA Figura 2 - áquia operado como gerador. É importate observar que a operação da máquia como gerador em acioametos elétricos, para freagem, pode assumir duas formas: a) FREAGE DIÂICA - A eergia ciética, covertida em elétrica, é dissipada por resistores a forma de calor; b) FREAGE REGEERATIVA - A eergia ciética, covertida em elétrica, é devolvida à própria rede de alimetação. A figura 3 mostra o esquema básico da freagem diâmica. EERGIA F O T E EERGIA GCC CARGA Figura 3 - Freagem diâmica. A figura 4 mostra o esquema básico da freagem regeerativa. 3

3 EERGIA F O T E EERGIA GCC CARGA Figura 4 - Freagem regeerativa. EXEPLO 1: Em um acioameto de correte cotíua a máquia opera como motor com uma potêcia de 100 [kw] e uma velocidade de 1800 [rpm]. O mometo de iércia do cojuto máquia-carga é de 20 [kg.m 2 ] e durate a freagem a carga favorece a redução de velocidade com um cojugado costate de 350 [.m]. a) Qual o valor do cojugado desevolvido o eixo quado da operação como motor? b) Se o acioameto deve ser freado em 3 [s], com a máquia operado como gerador, que cojugado deve ser desevolvido o eixo pela máquia? c) Se o acioameto for freado apeas pela ação da carga, ão podedo a máquia operar como gerador, qual o tempo de freagem? SOLUÇÃO: a) A potêcia idicada de 100 [kw] para o motor refere-se sempre a potêcia dispoível o eixo. Etre o cojugado mecâico "", a potêcia mecâica "P" e a velocidade "" existe a relação: ode: 2π P = 60 (1) P - potêcia mecâica dispoível [W] - cojugado desevolvido [.m] - velocidade de rotação [rpm] 4

4 Desta forma, tem-se: = 60 P 2 π (2) Para o exemplo em questão: = 531 [.m] (dividido-se o resultado por 9,81 obtém-se o cojugado em kgf.m). b) A equação (3), a seguir, defie o cojugado ecessário para produzir-se uma variação de velocidade um determiado itervalo de tempo. fr = 2π J d 60 dt (3) ode: fr - cojugado de freagem [.m] J - mometo de iércia [kg.m 2 ] d / dt - taxa de variação da velocidade o tempo Quado o cojugado freate é matido costate, como o caso em questão, a expressão (3) pode ser substituída pela equação (4). fr = 2π Δ J 60 Δt (4) ode: Δ - variação da velocidade ; Δt - itervalo de tempo em que se processa a variação da velocidade. A equação (4) permite defiir o cojugado ecessário para obter-se uma variação de 1800 [rpm] em 3 [s]. 2π 1800 fr = fr = [.m] Do euciado do problema verifica-se que a carga durate a freagem assume um valor costate e omial igual a 350 [.m]. Isto sigifica que a máquia deve cotribuir com a difereça, ou seja: 5

5 fr = - C (5) ode: - cojugado desevolvido pela máquia [.m] C - cojugado da carga [.m] Assim: = = 907 [.m] c) este caso, a equação (5) tem-se: = 0 fr = C = 350 [.m] Levado-se este valor a equação (4) obtém-se: 350 = 2π Δ Δt Δ t = t fr = 2 π t fr = 10,8 [s] Verifica-se que, este caso, o tempo de freagem assumiu um valor maior que o aterior. 6

6 2 - PRICÍPIO DE FUCIOAETO DO GERADOR DE CORRETE COTIUA A FORÇA ELETROOTRIZ IDUZIDA O pricípio de fucioameto do gerador de correte cotíua tem por base a Lei de Faraday que estabelece que, se o fluxo magético (Φ) que evolve uma determiada espira, varia o tempo, resultará esta espira uma força eletromotriz iduzida (e), cujo valor será proporcioal à itesidade do fluxo e à taxa de variação do mesmo, coforme está mostrado a equação a seguir: e A d ϕ = dt (6) ode: A - Costate de proporcioalidade; dϕ \ dt - Taxa de variação do fluxo. A idução desta força eletromotriz (FE) a espira vai resultar a circulação de uma correte, desde que o circuito esteja fechado, coforme está mostrado a figura 5 a seguir. Figura 5 - Geração de FE em uma espira O fluxo magético em máquias de correte cotíua é produzido os pólos que estão localizados a parte estática (carcaça) matedo-se desta forma sua direção fixa. A alteração de sua itesidade e setido é coseguida com a mudaça da correte de campo, o que se presta a modificar e/ou corrigir as codições operacioais. Deste modo, para a aálise do fucioameto do Gerador de Correte Cotíua, pode-se cosiderá-lo costate. Sua variação em relação à espira é coseguida imprimido-se uma velocidade (giro) à espira. 7

7 A figura 6 mostra a espira em várias posições em relação ao fluxo pricipal. α S S S Figura 6 - Espira a armadura movedo-se em relação ao campo. Se a espira está movedo-se com [rpm], o fluxo pricipal em relação a espira vai variar coforme a expressão: ϕ π = Φ cos 2 60 t (7) ode: Φ - valor máximo do fluxo.t - posição ocupada pela espira um istate qualquer, determiada pelo âgulo α. ou: este caso, a FE iduzida a espira é dada por: e A d ϕ = dt 2π 2π e = A Φ se( t) (8) ou seja, a FE iduzida tem forma de oda seoidal o tempo. Isto implica que a correte produzida por esta FE também será alterada. Para o caso em aálise, ode está cosiderado-se a preseça de apeas uma espira, para que a correte vista alterada (seoidal) teha um úico setido de circulação o circuito extero, é ecessária a utilização de um úico ael ao ivés de dois aéis. Este ael deve ser cortado ao meio e cada uma das partes resultates deve ser isolada eletricamete da outra. Desta forma, obtém-se a costrução idicada a figura 7. Coforme pode-se verificar esta figura, a correte o circuito extero terá um úico setido de circulação. O ael de comutação foi deomiado por comutador. A forma de oda obtida o circuito extero para a FE (e) está idicada a figura 8. 8

8 Se ao ivés de apeas uma úica espira, istalar-se várias espiras sobre a armadura, defasadas geometricamete de modo coveiete e coectadas aos aéis comutadores de forma a comporem suas FE (ligadas em série), obtém-se como resultado uma tesão cuja magitude é a soma dos valores istatâeos das FE iduzidas as espiras. e Figura 7 - Comutação de uma espira. Figura 8 - FE obtida o circuito extero. a figura 9, a seguir, está represetado um gerador de quatro espiras. A força eletromotriz resultate está mostrada a figura 10. Como pode ser observado a figura 10, a força eletromotriz gerada já ão mais toca o eixo das abscissas, ou seja, seu valor istatâeo está mais próximo do valor médio. Pode-se etão cocluir que um aumeto o úmero de espiras, implica em uma maior aproximação etre os valores médio e máximo da FE resultate. Figura 9 - Gerador com 4 espiras a armadura. 9

9 1 REVOLUÇÃO Figura 10 - FE resultate. O valor médio da FE iduzida em cada espira será dado pela expressão idicada a seguir: E = C 2. Φ. (9) ode: E C 2 Φ - valor médio da FE iduzida - costate de proporcioalidade - fluxo magético - velocidade da armadura TIPOS DE GERADORES DE CORRETE COTÍUA Depededo da aplicação prevista para um gerador de correte cotíua, é desejável que apresete uma determiada resposta relativa à tesão termial correspodete à uma codição operacioal defiida. Esta difereciação é basicamete determiada pela forma de excitação, ou seja, pelo modo como o fluxo pricipal é produzido. A seguir serão mostrados cada um dos tipos de geradores GERADOR CO EXCITAÇÃO IDEPEDETE A figura 11 mostra o diagrama básico de um gerador de correte cotíua com excitação idepedete. Este tipo de gerador, apreseta como característica própria possuir o circuito de excitação totalmete idepedete do circuito de armadura. Desta forma, a tesão de alimetação do circuito de campo deve ser estabelecida por uma fote extera ao gerador. 10

10 GCC BC EI Figura 11 - Gerador com excitação idepedete GERADOR CO EXCITAÇÃO E DERIVAÇÃO (SHUT) o gerador com excitação em derivação o erolameto de excitação é ligado em paralelo com o circuito de armadura, de modo que a própria tesão de armadura é aplicada o erolameto de campo. Como este caso a excitação da máquia é obtida da força eletromotriz gerada, que o iício do processo apreseta-se bastate reduzida, sedo resultado apeas da ação do magetismo residual, deve-se tomar o cuidado que esta fase o gerador esteja operado, preferecialmete em vazio, ou em uma codição tal que a carga seja suficietemete pequea de modo a ão iterferir o processo. A figura 12 mostra um gerador com excitação em derivação. GCC BC SH Figura 12 - Gerador com excitação em derivação GERADOR CO EXCITAÇÃO E SÉRIE este caso, o circuito de excitação é colocado em série com o circuito de armadura, de modo que a correte de excitação é a própria correte de carga. O esquema básico de um gerador com excitação série está idicado a figura

11 BC S GCC Figura 13 - Gerador com excitação em série GERADOR CO EXCITAÇÃO COPOSTA (COPOUD) Estes geradores possuem tato os erolametos de excitação série (B CS ), bem como os de excitação paralela (B CP ), coforme está mostrado a figura 14. BC S GCC BC SH Figura 14 - Gerador com excitação composta EQUAÇÕES BÁSICAS DO GERADOR a figura 15, a seguir, está represetado o circuito equivalete de um gerador de correte cotíua com excitação idepedete, que é o tipo de excitação mais usualmete utilizada a idústria. A aplicação da tesão U E o circuito de excitação da máquia, tem como coseqüêcia a circulação da correte de excitação I E, defiida pela equação: I E = U R E E (10) 12

12 ode: U E - tesão de excitação [V] R E - resistêcia do circuito de excitação [ohm] I E - correte de excitação [A] A correte de excitação I E circulado pelas espiras do erolameto de excitação (campo), origia o fluxo magético Φ. A relação etre este fluxo e a correte de excitação I E depede da característica de magetização do circuito magético da máquia, coforme mostra a figura 16. I A I A R A I E I E C C A A R R G G A A U U A A E GCC BC EI U U E R E Figura 15 - Esquema básico do gerador com excitação idepedete. Figura 16 -Curva característica que relacioa o Φ e I E. Forecedo-se eergia mecâica ao eixo da máquia a armadura vai girar, sedo etão iduzida a FE "e", cujo valor médio "E" é defiido pela expressão (9), ou seja: E = C 2. Φ. Com fechameto da chave K 1 idicada a figura 15, circulará a correte de armadura I A e os termiais do gerador resultará a tesão U A defiida pela equação: U A = E - R A I A (11) 13

13 ode: U A - tesão os termiais da máquia [V] E - valor médio da FE iduzida a máquia [V] R A - resistêcia do circuito de armadura [ohm] I A - correte de armadura [A] A circulação da correte de armadura provoca o aparecimeto de um cojugado eletromagético que atua cotra o setido de movimeto da armadura. Este cojugado é dado por: = K. Φ. I A (12) ode: - cojugado [.m] Φ - fluxo [Weber] I A - correte de armadura [A] K - costate depedete de características da máquia Observe que a costate K da equação (12) tem um valor diferete da costate C 2 da equação (9). EXEPLO 2: Uma máquia de correte cotíua operado com excitação idepedete, apreseta os seguites dados omiais: U A = 240 [V] = 1000 [rpm] I A = 300 [A] η = 85% R A = 0,035 [ohm] J = 80 [kg.m 2 ] a) Estado a máquia operado como gerador, qual a potêcia mecâica forecida à armadura as codições omiais? b) Qual é a FE desevolvida a máquia as codições omiais? c) Qual é o valor da costate C 2 Φ da máquia em cosideração? d) Determie o tempo de freagem da máquia desde os 1000[rpm] até 800 [rpm] quado ligada a uma resistêcia de 0,42 [ohm] e desligada da máquia motriz. SOLUÇÃO: a) Como a máquia opera como gerador de correte cotíua, a potêcia mecâica etregue a seu eixo está viculada à elétrica pelo redimeto desevolvido as codições operacioais. Assim deve-se calcular o valor da potêcia elétrica que o gerador está forecedo à carga. Desta forma tem-se: 14

14 P EL = U A. I A P EL = 240 x 300 P EL = 72 [kw] Levado-se em cota o redimeto da máquia obtém-se, etão, a potêcia mecâica forecida ao eixo da armadura. P EC P = η EL P EC = , P EC = 84,71 [kw] b) A queda de tesão desevolvida pela circulação da correte omial pela armadura da máquia é dada por: Etão, a partir de (11) resulta: R A. I A = 0, R A. I A = 10,5 [V] c) A partir da equação 9, vem: E = U A + R A I A = ,5 E = 250,5 [V] C 2 E Φ = = 250, C 2 Φ = 0,2505 [V/rpm] d) as codições operacioais propostas pelo exemplo, a correte de armadura é dada por: 0, 2505 IA = 0, , 035 I A = 0,551. O cojugado desevolvido pela máquia a freagem será calculado pela equação 12, ou seja: 15

15 = K. Φ. I A A costate K Φ (a freagem é feita com o fluxo omial) pode ser determiada a partir das codições omiais: modo: K Φ = IA O cojugado omial também deve ser obtido das codições omiais. Deste = 60 P 2π = π 1000 Assim: = 808,9 [.m] K Φ = 808, K Φ = 2,696 [.m/a] Desta forma, coclui-se: = 2,696 x 0,551. = 1,484. Durate o processo de freagem a máquia motriz é desativada e o cojugado produzido pelo gerador passa a ser o cojugado de freagem (desprezado-se os esforços de atrito). Desta forma, tem-se: fr = 1,484. Cabe salietar que o cojugado freate ão é idepedete da velocidade. Desta forma deve-se utilizar a equação (3) da págia 5, que está colocada a seguir. Assim: fr = 2π J d 60 dt 2π 1,484 = = 1, 411 d dt d dt 16

16 Desta forma, resulta: t fr = 1, 411 fr d ode: fr - velocidade fial da freagem - velocidade iicial da freagem Como: dx = l x x Obtém-se: t fr = 5,644 [l l 800] t fr = 1,26 [s] 17

17 3.- PRICÍPIO DE FUCIOAETO DO OTOR DE CORRETE COTÍUA FORAÇÃO DO COJUGADO OTOR Coforme já foi visto a itrodução desta apostila, quado a máquia de correte cotíua opera como motor, o fluxo de potêcia é da rede de alimetação para o motor, ou seja, a máquia recebe potêcia elétrica e forece potêcia mecâica o eixo. o motor, a aplicação de uma tesão U A ao circuito de armadura e uma tesão U E ao circuito de campo, determiam: - a circulação de uma correte de armadura I A ; - a produção de um fluxo magético Φ a partir da correte de campo I E resultate de U E. Em decorrêcia da iteração etre a correte e o fluxo cria-se um cojugado mecâico () e, coseqüetemete, a rotação da máquia com velocidade. Estas gradezas relacioam-se segudo as codições estabelecidas por equações, que buscam refletir, matematicamete a codição para que haja o equilíbrio eergético do sistema. Da mesma forma que a operação como gerador, o fluxo "Φ" desevolvido os erolametos de excitação, corta os erolametos de armadura, sedo idispesável a sua preseça para que haja a formação da chamada "Força Cotra-Eletromotriz" (FCE), tesão esta, resposável pela limitação da correte o circuito da armadura. A seguir, está mostrado a figura 17 o diagrama do cojuto para a operação como motor. A espira é percorrida pela correte cotíua I A e em seus codutores, devido a ação do fluxo magético, é desevolvido o cojugado resposável pelo movimeto da armadura (eixo) do motor. Está mostrado a figura 18, o corte trasversal desta espira em diversas posições em relação aos pólos (circuito de campo). O deslocameto da espira se dá devido ao cojugado desevolvido em seus codutores. Observa-se claramete a figura 18, que o valor médio do cojugado desevolvido a espira, é ulo. Sempre que a espira cruza o plao ortogoal à direção do fluxo, que a figura em questão está represetado pela deomiada "Liha eutra" (L), há uma iversão o setido do cojugado desevolvido, o que iviabiliza a costrução do motor coforme apresetado a figura 17. A observação da figura 18, permite cocluir que quado a espira ultrapassa a liha L, deverá ser feita a iversão o setido da correte que circula pelo codutor da bobia, para que as forças desevolvidas os codutores cotiuem em resultar em um cojugado que mateha o setido de rotação. Deste modo, os erolametos do circuito da armadura deverão ser coectados ao circuito extero, através do comutador. 18

18 Figura A -Pricípio de fucioameto do motor. Agora, diferetemete do modo como o comutador atuava a máquia fucioado como gerador (o comutador operava como retificador), ele opera como um "iversor auto-cotrolado", pois a partir de uma tesão cotíua aplicada por uma fote extera, dá-se origem à circulação de uma correte alterada os erolametos da armadura. S S S S Figura 18 - ovimeto da espira sob a ação da força desevolvida devido ao fluxo Φ e a correte I A EQUAÇÕES BÁSICAS DO OTOR a figura 19, a seguir, está represetado o circuito equivalete de um motor de correte cotíua com excitação idepedete. Como ocorre o gerador de correte cotíua, é aplicada a tesão de excitação U E os erolametos do campo, resposáveis pela produção do fluxo magético, resultado, como coseqüêcia, a circulação da correte de excitação I E. Esta correte é defiida pela equação 13. I E U E = (13) R E 19

19 A correte de excitação I E produz o fluxo Φ. A relação etre essas duas gradezas é aquela que já foi mostrada a figura 16. I A I E U A CC BC EI U E Figura 19 -Esquema básico de um motor de correte cotíua com excitação idepedete. Quado se submete o circuito de armadura a um determiado valor de tesão, "U A ", estado a máquia sem movimeto de rotação, resulta a circulação de uma correte de armadura desigada por "I A ". Como este caso, apeas a resistêcia própria dos erolametos da armadura "R A " limita a correte I A, a tesão aplicada a partida deve ser tal que ão promova um valor iadmissível de correte. Esta situação está represetada aaliticamete pela expressão a seguir: U AP = R A. I AP (14) sedo: U AP - valor iicial da tesão da armadura [V] R A - resistêcia do circuito de armadura [ohm] I AP - correte admissível a partida [A]. O valor da correte de partida pode ser determiado pelo motor ou pela carga. Como todos os equipametos supridos por eergia elétrica, o motor de correte cotíua tem um valor de correte máximo admissível, que o caso em questão, é defiido pela comutação. A magitude desta correte deve ser forecida pelo fabricate e é defiida como sedo a Correte Limite "I LI ". Existem acioametos ode a correte de partida é defiida pelo cojugado acelerador exigido podedo seu valor ficar abaixo do valor limite. A tesão de partida U AP pode ser determiada pela fote caso seja um retificador cotrolado, ou através da iclusão de resistores em série com o circuito da armadura do motor. este caso, a tesão da fote de alimetação é costate, obtedo-se: U A = (R A + R EXT ). I AP (15) 20

20 Do mesmo modo como para a máquia operado como gerador, o cojugado motor desevolvido é dado por: = K. Φ. I A (16) Coforme pode ser observado o gráfico a seguir, em motores de excitação idepedete o fluxo magético é matido costate o valor omial para velocidades meores que a omial. esta região de operação o cotrole de velocidade é exercido através da variação da tesão de armadura. Para que o acioameto opere com velocidades superiores à omial, é ecessário que o fluxo seja efraquecido e a tesão de armadura seja matida costate o valor omial. φ φ U A U A > 0 U A = U A φ I 0 AX Com a circulação da correte I AP e a preseça do fluxo Φ, geralmete o fluxo omial (Φ ) resulta a armadura o cojugado de partida ( P ), dado pela expressão: P = K. Φ. I AP (17) Ao ser eergizado (havedo fluxo e correte de armadura) o motor produz um cojugado deomiado Cojugado de Partida ( P ). Se este cojugado é maior que o cojugado de carga ( C ), o cojuto motor-carga acelera. Com o movimeto da armadura, é desevolvida em seus circuitos a FE (E), que se cotrapõe à tesão aplicada. E = C 2. Φ. (18) Deste modo, a correte de armadura será defiida pela expressão (19): I A = UA E R A (19) 21

21 EXEPLO 3: Um motor de correte cotíua com excitação idepedete apreseta os seguites dados omiais: P = 325 [kw] R A = 0,019 [ohm] U A = 500 [V] η = 93% = 1880 [rpm] J = 29,2 [kg.m 2 ] Este motor acioa uma carga costate e igual a 1400 [.m]. O mometo de iércia da carga (cosiderado o acoplameto e referido ao eixo do motor) é de J = 35 [kg.m 2 ]. Quato à operação com sobre-carga o motor apreseta os seguites dados: - operação com 1,7 vezes a correte omial durate, o máximo, 15 [s]. - operação com 2,0 vezes a correte omial durate, o máximo, 10 [s]. - operação com 3,0 vezes a correte omial durate, o máximo, 5 [s]. estas codições determie: a) O cojugado omial desevolvido pelo motor. b) O tempo de partida do acioameto, sabedo-se que deve ser desevolvido um cojugado acelerador igual a 90 [%] do cojugado omial do motor. c) O cojugado e a correte de armadura durate a partida. SOLUÇÃO: a) O cojugado omial deve ser determiado pela equação: = 60 P 2 π = π 1880 = [.m] b) O tempo de partida deve ser calculado com o uso da seguite expressão: A = 2π J d 60 dt Como o cojugado acelerate ( A ) é costate, a expressão acima pode ser substituída pela equação seguite: Desta forma, tem-se: A = 2π Δ J 60 Δt 22

22 2π Δ Δt = tp = J 60 A Para as codições propostas: J = J + J J = 29, J = 64, 2 [kg.m 2 ] A = 09, C A = 0, = 1486 [.m] A Etão: t P = π 64, tp = 8,5 [s] c) Como a carga é de 1400 [.m] e o cojugado acelerador é de 1486 [.m], tem-se: P = A + C P = P = 2886 [.m] Admitido-se que a partida ocorre com o fluxo omial tem-se: as codições omiais, tem-se: P = K. Φ. I AP = K. Φ. I A Desta forma, resulta que a correte de armadura da máquia o istate da partida deve ser calculada através da seguite expressão: IAP = I P A A correte omial é defiida por: I A = IA = , 93 [A] o que vai resultar para correte de partida. 23

23 I AP = I AP = 1222 [A] Este resultado (I AP = 1,75. I A ) idica a viabilidade do acioameto coforme proposto pelo exemplo, pois pelos dados do motor forecidos pelo fabricate, o mesmo admite uma correte 2,0 vezes a omial durate 10 [s] e a partida deu-se em 8,5 [s]. 24

24 4 - PARTES COPOETES DA ÁQUIA DE CORRETE COTÍUA COSIDERAÇÕES GERAIS A figura 20 mostra esquematicamete uma máquia de correte cotíua em corte trasversal, ode estão idicadas as pricipais partes compoetes da máquia. Uma descrição sucita de cada elemeto está acompahada do úmero correspodete idicado a figura. Cabe salietar que a aálise das partes compoetes será mais proveitosa se realizada levado-se em cota os coceitos estudados o pricípio de fucioameto da máquia operado como gerador e como motor Figura 20 -Partes compoetes da máquia de correte cotíua. A carcaça (1) possui duas fialidades; uma (mecâica) como estrutura da máquia e outra (magética) como codutora do fluxo de pólo a pólo. É costituída de aço de elevada resistêcia mecâica e baixa relutâcia magética. É ela que estão colocados os pólos pricipais (2) que são usualmete feitos de aço fudido. Pequeas máquias possuem a carcaça e os pólos (também cohecidos por assas Polares) fudidos em uma só peça. Todo pólo deve ter sua sapata polar costituída por lâmias de aço silício, para reduzir as perdas por corretes parasitas de Foucault e por histerese, perdas essas resultates das variações localizadas de desidade magética. Os pólos pricipais cotêm os erolametos de excitação (idepedete, série e/ou derivação) (3). A armadura (4) ou rotor (também cohecida por iduzido), é costituída por duas partes pricipais: O úcleo e o erolameto. O úcleo, feito de lâmias de aço 0,35 a 0,60 [mm] de espessura, é que dá suporte ao circuito elétrico giratório. Uma cobertura com veriz isolate é colocada alteradamete sobre as lâmias de modo a reduzir as perdas decorretes da circulação de corretes parasitas. O erolameto cosiste de bobias, feitas de uma ou mais espiras coectadas de modo a formar um úico 25

25 erolameto. É as rahuras do úcleo (5) que estão depositados os codutores do circuito da armadura. Cada espira ou grupo de espiras é ligado com lamelas do coletor. O coletor (ou comutador), é uma das peças mais importates da máquia de correte cotíua, sedo costituído por teclas (lamelas) de cobre edurecido, isoladas etre si por um material isolate (geralmete lâmias de mica). A superfície do comutador deve ser perfeitamete cilídrica (usiada), de modo que as escovas (7) possam deslizar facilmete sem produzir ruídos em vibrações. As primeiras escovas eram fabricadas de cobre, mas seu uso resultava em um grade desgaste do coletor. Para solucioar este problema, desevolveu-se a tecologia de fabricação de escovas de carvão. Sua utilização melhorou sigificativamete o cotato com as teclas do coletor. A figura 21 (a) mostra a distribuição do fluxo em uma máquia de dois pólos com os campos excitados, porém operado em vazio. Esta afirmação pode ser feita pela observação da distribuição homogêea das lihas de fluxo que percorrem a armadura. Quado a máquia opera com cargas sigificativas, os erolametos da armadura, percorridos pela correte de armadura, produzem um fluxo, deomiado "Fluxo de Reação de Armadura" ou simplesmete, reação de armadura, mostrado isoladamete a figura 21 (b). Coforme pode ser verificado a figura 21 (c), a reação de armadura distorce o fluxo pricipal, provocado um deslocameto da liha eutra. Isto determia que a comutação ocorra com a FE iduzida as espiras em um valor diferete de zero, tedo como coseqüêcia idesejável o surgimeto de faiscameto. Figura 21 -Reação da armadura. Um deslocameto das escovas para a ova posição da liha eutra, reduz o cetelhar. o gerador as escovas devem ser movidas o setido do giro e o motor devem ser deslocadas o setido iverso. Porém, a maioria das vezes este procedimeto ão resolve o problema, uma vez que a máquia pode operar com carga variável, o que implica uma reação de armadura oscilate. Desta forma, coforme é mostrado a figura 20, são usados os pólos de comutação (8) (também cohecidos por iterpolos). Os iterpolos são pólos de dimesões reduzidas, iseridos etre as massas polares. São costituídos por erolametos (9) que, percorridos pela correte de armadura, provocam efeito semelhate ao coseguido com o deslocameto das escovas, porém sem os icoveietes causados pela alteração do posicioameto das escovas. Cabe salietar que o uso de iterpolos é idispesável em máquias reversíveis de grade porte. Adicioalmete, a sapata polar pode coter erolametos de compesação (10). 26

26 5 - POSSIBILIDADES DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE Para que se possa mais facilmete aalisar as possibilidades de variar-se a velocidade do motor de correte cotíua, deve-se equacioar os parâmetros associados à esta gradeza. Ao combiar-se adequadamete as expressões (9) e (11), obtém-se: = U R I C A A A 2 Φ (20) A observação da equação (20) permite cocluir que para fazer o cotrole de velocidade do motor pode-se variar: - a tesão de armadura U A - o fluxo Φ - a resistêcia do circuito de armadura R A. Em geral, a velocidade do motor é cotrolada através da variação da tesão de armadura para velocidades de operação etre = 0 até =. Para coseguir-se que o motor opere com velocidades superiores àquela correspodetes à tesão omial de armadura, o efraquecimeto do fluxo é o procedimeto adequado. Para tato, a tesão aplicada ao circuito de campo do motor deve ser reduzida. Observe que ão existe, obrigatoriamete, uma proporcioalidade etre a redução da tesão do campo e a dimiuição do fluxo produzido, isto, em razão da ão liearidade do circuito magético do motor. O cotrole de velocidade de motores de correte cotíua com a variação do resistor iserido o circuito de armadura, ão é comumete empregado devido as perdas resultates. A circulação da correte de armadura por este resistor, provocará a dissipação de calor (por efeito Joule) que, certamete irá reduzir a eficiêcia do sistema. EXEPLO 4: Admitido-se que o motor de correte cotíua com os dados forecidos a seguir, acioa uma carga variável, determie: P = 325 [kw] R A = 0,019 [ohm] U A = 500 [V] η = 93% = 1880 [rpm] J = 29,2 [kg.m 2 ] a) A tesão a ser aplicada a armadura do motor para que a máquia opere com metade da velocidade omial. esta situação, o motor acioa uma carga cujo cojugado é 75% do omial. b) A maior sobrevelocidade possível de operação, sabedo-se que para velocidades maiores que a omial, este caso, a carga vale 50% da omial. 27

27 SOLUÇÃO: a) Como para velocidades até a omial, ormalmete, o fluxo é matido o valor omial, a equação (20) tora-se: = UA RA IA C2 Φ Como C2 Φ = U R I A A A resulta: U A = ( U R I ) + R I A A A A A A correte de armadura I A é fução apeas da carga o eixo, uma vez que o fluxo é matido o valor omial. Assim: I A = I A Como = 0,75 resulta: I A = 0,75 I A Desta forma, tem-se: U A = ( U R I ) + R 075, I A A A A A Substituido-se pelos valores dados, vem: U A = 0,5. (500-0, ) + 0,019. 0, U A = 253 [V] b) Como a tesão de armadura é matida costate o valor omial e o fluxo é variável, tem-se: 28

28 U R I A A = A C2 Φ Como pretede-se uma variação de fluxo, comparado com as codições omiais, tem-se: = ( UA RA IA ) C 2 Φ C Φ ( U R I ) 2 A A A U R I A A = A UA RA IA Φ Φ Como a carga cai para metade da omial, a redução de fluxo é defiida por: = K.Φ.I A = K.Φ.I A Φ = Φ I I A A Se a correte deve ser matida o valor omial, obtém-se: Φ Φ = Φ = 05, Φ Substituido-se estes valores a equação ateriormete deduzida, tem-se: 500 0, 019 I = A 500 0, 019 IA = 3760 [rpm] 29

29 6 - SISTEA POR UIDADE APLICADO A OTORES DE CORRETE COTÍUA COSIDERAÇÕES GERAIS A aálise do comportameto do motor de correte cotíua com gradezas reais, apreseta alguma dificuldade a obteção de parâmetros ieretes à máquia, tais como as costates C 2 e K. Por vezes, em mesmo o valor da resistêcia da armadura é dispoível. Para ameizar estas dificuldades, será apresetado um método alterativo para a aálise do desempeho da máquia. este, todos os parâmetros são referidos aos dados omiais, obtedo-se assim equações adimesioais EQUACIOAETO Deste modo, tato a equação (12) mostrada a págia 14, quato a equação (20) mostrada a págia 27, serão substituídas, respectivamete, pelas expressões (21) e (22). m = ϕ. i A (21) = V u A i (V 1) ϕ A (22) ode: * = / V = U A / (R A. I A ) ϕ = Φ / Φ u = U A / U A Aida, a equação (1) mostrada a págia 4, será substituída pela expressão (23). p = m. (23) ode: p = P / P 30

30 A tabela 1 apreseta valores típicos de V, em fução da potêcia da máquia, quado a resistêcia omial do circuito da armadura (R A ) ão é dispoível. EXEPLO 5: TABELA 1. Valores típicos de V em fução da potêcia do motor. P [cv] [V] > 1000 > 50 Admita que o motor de correte cotíua, de excitação idepedete, com os dados forecidos a seguir, acioa uma carga variável. Usado o sistema por uidade, determie: P = 325 [kw] R A = 0,019 [ohm] U A = 500 [V] I A = 699 [A] = 1880 [rpm] J = 29,2 [kg.m 2 ] a) A tesão a ser aplicada a armadura do motor para que a máquia opere com metade da velocidade omial. esta situação, o motor acioa uma carga cujo cojugado é 75% do omial. b) A maior sobrevelocidade possível de operação, sabedo-se que para velocidade maior que a omial a carga vale 50% da omial. SOLUÇÃO a) Da equação (22), obtém-se: [( V 1) ϕ ] 1 u = + V A i A (24) Das codições de cotoro apresetadas, vem: ϕ = 1 * = 0,5 m = 0,75 Utilizado-se a equação (21), tem-se: m ia = = ϕ 075, 1 i A = 0,75 O valor de "V" é calculado a partir dos dados omiais. Assim, tem-se: 31

31 V = UA RA IA = 500 0, Substituido-se em (24), obtém-se: Deste modo: V = 37,65 1 u A = + 37,65 [( 37,65 1) 1 0,5 0,75] u A = 0,51 U A = 0,51 x 500 U A = 253,32 [V] b) As ovas codições apresetam: Da equação (21) vem: m = 0,5 u A = 1 i A = 1 m 05, ϕ= = i A 1 ϕ = 0,5 Substituido-se a equação (22), obtém-se: * = 37, ( 37,65 1) 0, 5 * = 2 Deste modo: = 2 x 1880 = 3760 [rpm] 32

32 7 - EXERCÍCIOS de APLICAÇÃO (PFGCC) Uma máquia de correte cotíua deve frear um acioameto que opera com 1200 [rpm]. A carga é de 625 [.m] para qualquer velocidade e o mometo de iércia da carga é de 22 [kg.m 2 ]. Determie qual o cojugado que deve ser desevolvido pela máquia para que o cojuto seja freado em 4 [s]. Dados da máquia: P = 75 [kw]; = 1200 [rpm]; J = 8 [kg.m 2 ] (PFCC) Os motores de correte cotíua resposáveis pelo movimeto de traslação da laça de uma recuperadora de miério, são do tipo excitação idepedete e apresetam os seguites dados de placa: Determie: P = 11 [kw]; U A = 460 [V]; I A = 26,4 [A]; R A = 1,55 [ohm]; U F = 190 [V]; I F = 2,62 [A]; = 1000 [rpm]; a) O redimeto omial destes motores; b) O cojugado omial; c) O valor da força cotra eletromotriz para quado os motores estiverem operado com carga omial e velocidade omial (PVV) Um CC de excitação idepedete possui as seguites características forecidas pelo fabricate: P = 50 [HP] R A = 0,174 [ohm] U A = 360 [V] I A = 115 [A]; U F = 220 [V] I F = 5,6 [A] = 1470 [rpm] J = 20 [kg. m 2 ]. A característica de magetização deste motor de correte cotíua, obtida através de esaios, está mostrada a seguir: 33

33 CARACTERÍSTICA DE AGETIZAÇÃO a) Determie os seguites parâmetros omiais do motor: # O redimeto; # O cojugado; # A força cotra-eletromotriz; # As perdas Joule o circuito da armadura. b) Sabedo-se que o motor é alimetado por um coversor (retificador tiristorizado) cujo valor da correte limite é de 170 [A], e também que o cojugado de carga é costate e igual a 145 [.m], com um mometo de iércia de 5,9 [kg.m 2 ], determie: # O valor da tesão aplicada a armadura o istate iicial da partida; # O tempo de partida até atigir-se a velocidade omial; # O valor de tesão aplicada ao campo da máquia para que seja desevolvida a maior sobrevelocidade de operação (SPU) Um CC de excitação idepedete é o resposável pelo acioameto de um vetilador cuja curva de torque em fução da velocidade está mostrada a seguir: 34

34 Este motor, fabricado pela GE, possui os seguites dados de catálogo: P = 1200 [cv] U A = 600 [V] I A = 1590 [A]; R A = 0,008 [ohm] L A = 0,24 [mh] U F = 186 [V]; = 1200 [rpm] a) Determie a tesão que deve ser aplicada à armadura para que o sistema opere com 75% da velocidade omial; b) Qual a maior sobrevelocidade possível de operação. BIBLIOGRAFIA Eletrotécica - Pricípios e Aplicações - Gray, Alexader & Wallace, G.A. - Ao Livro técico S.A. - Brasil áquias Elétricas - Fitzgerald, A.E., Kigsley, C. & Kusko,A. - cgraw-hill - Brasil Elemetos de Eletrotécica - Christie, Clarece V.- Editora Globo - Brasil Cours d'électrotechique - Kassatkie, A. et Perekalie,. - Éditios ir. oscou - U.R.S.S áquias Elétricas - Vol. I - Kosteko,. e Piotrovisky, L. - Lopes da Silva Editora - Porto - Portugal Basic Electricity: Theory ad Practice - Kaufma,. e Wilso, A. J. - cgraw-hill, Ic. 35