p. 1/38 Fundamentos das máquinas CC: Com excessão da máquina homopolar a conversão eletromecânica de energia elétrica em mecânica e vice-versa se processa através de grandezas alternadas; A retificação das grandezas alternadas, geradas no interior da máquina, para contínuas é feita pelo comutador; Desvantagens: Projeto complexo; Custo inicial mais elevado; Necessidade de manutenção mais freqüente. Vantagens: Simples de serem controladas. Simples de serem controladas.
p. 2/38 Espira girante em um campo uniforme: B b ω r N a c S + d l e bob considerando que a bobina acima tem N espiras pode-se escrever que: e ind = N dφ b dt
p. 3/38 ω v = ω r N r r θ S B v = ω r φ b = B A efetiva = B A espira cosθ = B (2rl) cosθ Portanto, e ind = N d (2Brlθ) dt onde, E máx = 2NBrlω e ind = E máx sin ωt
p. 4/38 Como pode observar pela expressão anterior a tensão induzida na espira elementar é senoidal (SENOIDAL). e ind 2vBl 0 360 720 θ 2vBl
p. 5/38 Para uma máquina com as faces polares mais curvas a tensão induzida fica achatada conforme mostrado na figura abaixo. e ind 2vBl vbl 0 vbl 2vBl 360 720 θ
p. 6/38 A tensão alternada gerada na bobina pode ser coletada a partir de escovas estacionárias de carvão, grafite ou ligas metal-grafite em contato com dois anéis coletores. ω N S e ind
p. 7/38 O processo de comutação O processo de comutação é uma parte crítica do projeto e da operação das máquinas CC. Os terminais da bobina são ligados a dois segmentos de anéis de cobre isolados entre si e solidários ao campo girante. A medida que o eixo (rotor) gira tem-se um processo de retificação da tensão alternada gerada da bobina. A COMUTAÇÃO é a inversão da ligação dos lados da bobina girante nas escovas de carvão. Esse processo acontece quando a tensão induzida nos dois lados da bobina são iguais. Neste esquema deve-se ter dois segmentos de comutator para cada bobina.
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p. 10/38 Para duas bobinas defasadas no rotor de um ângulo mecânico de 90 o a ω b N S b a + e ind
p. 11/38 A tensão induzida em cada bobina é defasada de 90 o da bobina adjacente. Logo podemos escrever: { e aa = E máx sin (ωt) e bb = E máx sin (ωt 90 o ) Que depois de retificada pelo COMUTADOR fica: { e aa = E máx sin (ωt) e bb = E máx sin (ωt 90 o )
p. 12/38 E max e ind e aa e bb E max 90 o t E max e aa e bb ~ tensoes retificadas e ind 90 o ~ tensao nas escovas t E max 90 o t
p. 13/38 Vantagens: A tensão resultante nos terminais das escovas é mais plana; Introduzindo mais espiras, igualmente defasadas uma das outras, a tensão final tende a um valor constante igual a E máx Desvantagens: Processo não eficiente de comutação a tensão resultante em cada bobina é usada externamente apenas parte do ciclo; No exemplo para duas bobinas defasadas de 90 o cada uma é usada apenas 180 o, ou seja, metada do ciclo.
p. 14/38 Uma alternativa mais eficiente de conexão das bobinas é a ligação das bobinas em SÉRIE. Existem diversas formas de ligação das bobinas entre si e ao comutator sendo as principais: Enrolamento em anel de Gramme Não utilizado na prática. Enrolamento em tambor: Enrolamento Embricado (do inglês, lap winding); Enrolamento Ondulado (do inglês, wave winding); Enrolamento Auto equalizado ou "Perna de Sapo"(do inglês, frog leg winding).
p. 15/38 Enrolamento em anel de Gramme Abaixo está mostrado a estrutura do enrolamento de uma máquina CC em anel de Gramme. As espiras são enroladas em torno do núcleo até que o final do enrolamento se fecha com o início do mesmo.
As espiras ou conjunto de espiras são ligadas aos segmentos do comutador conforme mostrado abaixo. p. 16/38
A figura abaixo mostra um circuito equivalente para o enrolamento em anel de Gramme. escova de carvao ~ + + Condutores sobre o polo SUL + + + + + + + + + + + + E max e ind tensao ~ por caminho tensao ~ por espira Condutores sobre o polo norte uma rotacao ~ da armadura, t escova de carvao ~ p. 17/38
p. 18/38 Principal desvantagem metade dos condutores de cobre não é ativo na geração de tensão (NÃO CORTAM LINHAS DE FLUXO MAGNÉTICO).
p. 19/38 Enrolamento em TAMBOR Principal vantagem todos os lados das bobinas são ativos (i.e. CORTAM LINHAS DE FLUXO MAGNÉTICO).
p. 20/38 Enrolamento IMBRICADO N S
p. 21/38 Enrolamento ONDULADO N S
p. 22/38 Enrolamento AUTO EQUALIZADO N S
Enrolamento Duplex e Triplex p. 23/38
Enrolamento Progessivo e Regressivo p. 24/38
p. 25/38 Comutação em máquinas de 4 espiras As figuras a seguir mostram uma máquina com enrolamento em tambor com quatro espiras.
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A tensão resultante tem a seguinte forma. p. 27/38
p. 28/38 Reação da armadura É um fenômeno que ocorre quando a máquina CC alimenta uma carga conectada em seus terminais.
p. 29/38 A Reação da Armadura pode ser explicada pela distorção do fluxo principal, produzido nos pólos da máquina CC, pelo fluxo produzido pela corrente de carga que circula pela armadura (ROTOR) da máquina CC. Problemas provocados: 1. Deslocamento do plano magnético neutro (P.M.N.); 2. Enfraquecimento do fluxo principal da máquina.
p. 30/38 Campo principal (polar) PMN u f f f f f f
p. 31/38 Campo da armadura I f a I
p. 32/38 Campo resultante PMN I u f R f R f R I
O enfraquecimento do campo pode ser visto na figura abaixo p. 33/38
p. 34/38 Tensão L di dt Ocorre entre segmentos adjacentes do comutador.
p. 35/38 oluções para os problemas de comutação Três alternativas básicas foram desenvolvidas para corrigir ou resolver parcialmente os problemas provocados pela REAÇÃO da ARMADURA nas máquinas CC e pela tensão L di dt : 1. Deslocamento das escovas de carvão; 2. Colocação de INTERPÓLOS ou pólos de COMUTAÇÃO; 3. Uso de enrolamentos COMPENSADORES
Deslocamento das ESCOVAS p. 36/38
interpólos p. 37/38
Pólos COMPENSADORES p. 38/38