Departamento de Engenharia Elétrica Aula 3.4 Máquinas de Corrente Contínua Prof. Clodomiro Unsihuay Vila
Bibliografia FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Jr. C. E UMANS, S. D. Máquinas Elétricas: com Introdução à Eletrônica De Potência. 6ª Edição, Bookman, 2006. Capítulo 7 Máquinas CC KOSOW, I. Máquinas Elétricas e Transformadores. Editora Globo. 1986. Capítulo 3 Relação de Tensão nas Máquinas CC Geradores CC TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de Máquinas Elétricas. LTC, 1999. Capítulo 7 Geradores de Corrente Contínua; Bim, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento. Editora Elsevier, 2009. Capítulo 7 Regime permanente de máquinas de corrente contínua
Reação da armadura É um fenômeno que ocorre quando a máquina CC alimenta uma carga conectada em seus terminais. 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 (PMN) ou LGN. 2. Enfraquecimento do fluxo principal da máquina.
Efeito da Fmm da armadura Quando a corrente de armadura é zero a corrente de campo estabelece o fluxo resultante na máquina.
Efeito da Fmm da armadura Quando uma corrente circula pelo enrolamento de armadura, a distribuição original de fluxo na máquina é alterada. O fluxo produzido pela armadura se opõe ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo em uma metade de pólo e se soma ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo na outra metade deste mesmo pólo.
Efeito da Fmm da armadura O fluxo produzido pela armadura se opõe ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo em uma metade de pólo e se soma ao fluxo produzido pelo enrolamento de campo na outra metade deste mesmo pólo.
Efeito da Fmm da armadura A densidade de fluxo resultante é a soma do fluxo gerado pelo enrolamento de campo e o produzido pelo enrolamento de armadura.
Efeito da Fmm da armadura Dessa forma a comutação entre as espiras não ocorre sob tensão nula, o que pode vir a danificar o gerador ou motor. A reação da armadura provoca um deslocamento do ponto de fluxo zero, além de distorcer a forma de onda do fluxo no entreferro.
Soluções 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: 1. Deslocamento das escovas de carvão; 2. Colocação de INTERPÓLOS ou pólos de COMUTAÇÃO; 3. Uso de enrolamentos COMPENSADORES
Enrolamento de Interpolo Como ambas a Fmm de armadura e a tensão de reatância são proporcionais à corrente de armadura, o enrolamento de comutação (interpolo) deve ser conectado em série com o enrolamento de armadura.
Enrolamentos COMPENSADORES A reação de aramadura pode ser consideravelmente abrandado pela compensação ou neutralização da Fmm de armadura debaixo das faces polares. Tal compensação pode ser conseguida por meio de um enrolamento de compensação ou de face polar alojado em ranhuras presentes na face do pólo e com uma face oposta à do enrolamento de armadura vizinho.
Comutação O enrolamento de campo de compensação também deve conduzir a corrente de armadura, visto que a reação de armadura aumenta com a carga (corrente de armadura).
Comutação Dispositivos presentes para melhorar a comutação e evitar sobre tensão na bobina.
Operação das máquinas CC Variação da tensão terminal do gerador em função da corrente de carga. Gerador com excitação independente Tensão terminal do gerador em função da corrente de carga
Exercício (1) Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm]. a) Negligenciando a reação de armadura. Determine a tensão terminal para corrente nominal; (V t = 88 [V]) b) Considerando que a reação de armadura para carga nominal é equivalente 0,06 ampères da corrente de campo. b.1) Determine a tensão terminal quando operando com corrente nominal; (V t = 86 [V]) b.2) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão terminal de 100 [V], quando operando com corrente nominal. (I f = 1,46 [A]) Obs. Considerar condições nominais aplicadas a armadura.
Exercício Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm].
Exercício Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm]. a) Negligenciando a reação de armadura. Determine a tensão terminal para corrente nominal; V t = E R I = 100 120 0,1 = 88[ V ] a a a
Exercício
Exercício Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm]. b) Considerando que a reação de armadura para carga nominal é equivalente 0,06 ampères da corrente de campo. b.1) Determine a tensão terminal quando operando com corrente nominal; I = I f ( efetiva) f reação de armadura = 1 0,06 = 0,94[ A] I Para essa corrente de campo tem-se a seguinte tensão induzida E a = 98V (dado retirado da curva de magnetização desse gerador) V t = E R I = 98 120 0,1 = 86[ V ] a a a
Exercício Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm]. b) Considerando que a reação de armadura para carga nominal é equivalente 0,06 ampères da corrente de campo. b.2) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão terminal de 100 [V], quando operando com corrente nominal. E a = V + R I = 100 + 120 0,1 = 112[ V ] t a a Na curva de magnetização encontra o valor de corrente de campo necessária para produzir a tensão de armadura de 112 [V]. I ( efetiva) 1,4[ A] f =
Exercício
Exercício Um gerador CC em condições nominais fornece uma corrente de armadura de 120 [A] quando operando em 1000 [rpm]. Esse gerador tem uma resistência de armadura R a =0,1[Ω], a resistência do enrolamento de campo R fw =80 [Ω], e N f = 1200 espiras por pólo. A corrente de campo nominal é 1 [A]. As características de magnetização para 1000 [rpm] é apresentada abaixo. A máquina está operando com excitação de campo independente, sendo a velocidade de rotação do gerador CC de 1000 [rpm]. b) Considerando que a reação de armadura para corrente nominal é equivalente 0,06 ampères da corrente de campo. b.2) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão terminal de 100 [V], quando operando com corrente nominal. Considerando o efeito da armadura a corrente real no enrolamento de campo terá que ser: I + f = I f ( efetiva) Ireação de armadura = 1,4 + 0,06 = 1,46[ A]
Motores de Corrente Contínua com Excitação Paralela Determinação da velocidade de rotação do motor V E I t a a = ( R = G tw t a af I f R G tc m Explicitando I V = R T = G m af R I tw + f I ω a af R ) I f ω tc f m ( R tw Vt + R (1);G (3); tc ) R V a af t = = G PZ a φ 2aπ em (1) e substituir em (4) : Subtituind o (1) e (5) em (6) : ω = + G af (6) ( Rtw + R 2 G V af tc 2 t ) 2 T af (5); I f ω pico m + 1 I f R a I a (2) (4)
Motores de Corrente Contínua com Excitação Série
Exercício 2 Um motor de corrente contínua com excitação paralela tem os seguintes dados nominais disponíveis: Pn = 50 kw, 970 rpm e Vt = 440 V, Ia = 127,5 A, e resistência total de campo (Rfw+Rfc)= 147 Ω e de armadura e Ra = 0, 075 Ω, respectivamente. Determinar nas condições nominais: (a) a tensão elétrica gerada na armadura; (b) a potência eletromecânica desenvolvida; (c) a corrente de campo; (d) a potência de entrada e a eficiência ; (e) as perdas nas resistências de armadura e de campo; (f ) as perdas rotacionais (g)torque eletromecânico desenvolvido e o torque de perdas; (h) torque de saída.