ENG418 MCC A1 Explicando geração de tensão cc e ca geradores cc 4

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Professor: Msc. Lissandro Brito Viena
Instituição: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA)
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Máquina de corrente contínua
Geradores de corrente contínua
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Introdução
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Começaremos nosso estudo de máquinas rotativas com os geradores de corrente contínua.
Como gerar uma tensão alternada?
O estudo do gerador de corrente contínua começa a partir do entendimento de como é gerada a corrente alternada.
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A tensão induzida é máxima quando a bobina está na posição horizontal.
Não há nenhum fluxo cortando a bobina quando ela está na posição vertical; consequentemente a tensão nesse instante é zero.
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A bobina do nosso exemplo gira com velocidade constante, logo, cada ângulo de rotação corresponde a um intervalo de tempo específico. Como nesse caso a bobina executa uma rotação por segundo, o ângulo de 360º equivale a um intervalo de um segundo. Consequentemente, podemos representar a tensão induzida como função do tempo.
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Gerando corrente contínua
O que pode ser feito para produzir corrente contínua?
Se as escovas pudessem ser chaveadas de um anel deslizante para outro toda vez que a polaridade mudar sobre ele, poderíamos obter uma tensão de polaridade constante através da carga. A escova x sempre seria positiva e a escova y seria negativa
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A obtenção da tensão contínua pode ser obtida a partir do comutador.
Qual a importância deste componente?
Comutador
Isolador
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O comutador é um anel deslizante cortado ao meio, com cada segmento isolado do outro como também do eixo. Um segmento é conectado ao terminal A e o outro segmento ao terminal D.
O comutador gira com a bobina. Ele na verdade é um retificado mecânico.
Tensão cc pulsante.
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Melhorando a tensão de saída pulsante
Podemos melhorar a onda de tensão pulsante usando por exemplo quatro bobinas e quatro segmentos comutadores.
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A onda de tensão resultante é mostrada abaixo:
Observe que a onda de tensão é pulsante, mas em nenhum momento ela cai a zero.
Onda de tensão cc suave
Aumento no número de bobinas
Aumento do número de segmentos comutadores
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O diagrama esquemático abaixo nos mostra onde os lados individuais de cada bobina se encontra.
Os lados de cada bobina a1/a2; b1/b2; c1/c2; etc estão localizados a 180º em relação ao outro. Trata-se de uma construção de uma armadura real. As quatro bobinas são colocadas em quatro slots. Cada bobina possui dois lados e existem dois lados de bobina por slot
Slot e localização do lado 1 da bobina A
SLOTS
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A próxima figura mostra a posição das bobinas quando a armadura gira 45º :
Ocorre agora um deslocamento dos lados da bobina A, estando o lado a1 no polo sul e o lado a2 no polo norte. 
 Os lados da bobina C estão experimentando o mesmo fluxo porque eles estão situados no mesmo slot da bobina A.
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Consequentemente, a tensão ea induzida na bobina A é exatamente a mesma que a tensão ec induzida na bobina c. Entretanto a bobina A está se deslocando para baixo e a bobina C está se movendo para cima. As polaridades de ea e ec são opostas.
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Tensão induzida
Construção física de um gerador com 12 bobinas, 12 slots e 12 barras comutadoras.
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Quando a armadura gira, a tensão induzida em cada condutor depende da densidade de fluxo que ele corta. 
Como a densidade de fluxo no airgap varia de ponto a ponto, o valor da tensão induzida por bobina depende de sua posição instantânea.
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Considere agora o diagrama esquemático da armadura e da tensão induzida nas doze bobinas.
A tensão permanece constante à medida que a armadura gira, pois a quantidade de bobinas entre as escovas é sempre a mesma, independente da posição da armadura.
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ZONAS NEUTRAS
São aqueles locais na superfície da armadura onde a densidade de fluxo é nula. Quando a máquina opera sem carga, as zonas neutras são localizadas exatamente entre os polos.
Nenhuma tensão será induzida na bobina quando ela passa através da zona neutra.
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GERADOR EM CARGA-PROCESSO DE CONVERSÃO DA ENERGIA
Considere o exemplo a seguir de um gerador de dois polos que acionado no sentido anti-horário enquanto fornece a corrente I para a carga. 
O torque eletromagnético devido a F deve ser balanceado ao torque mecânico aplicado.
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A corrente fornecida pelo gerador flui pelos condutores do enrolamento de armadura. 
Correntes na armadura
Se olharmos para dentro da armadura, iremos descobrir que a corrente sempre flui na mesma direção naqueles condutores que estão momentaneamente no polo norte e aqueles que estão no polo sul.
Simbologia
Ponto da flecha – corrente saindo da página
Seta da flecha – corrente entrando na página
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Forças nos condutores da armadura
Como os condutores estão cortando linhas de campo, estão submetidos a uma força, de acordo com a Lei de Lorentz.
Direção da força – Examinando a direção do fluxo e a direção da corrente, encontraremos que as forças individuais no condutores da armadura atuam no sentido horário.
Direção das forças - atuam no sentido horário.
Torque - age na direção oposta ao do acionamento do gerador.
Então, para manter o gerador funcionando deveremos aplicar um torque no eixo que venha a se sobrepor ao torque eletromagnético oposto. A potência mecânica resultante é convertida em potência elétrica.
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REAÇÃO DE ARMADURA
Considere a figura abaixo:
Campo magnético criado pelas correntes fluindo nos condutores de armadura.
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REAÇÃO DE ARMADURA
Considere a figura abaixo:
Vamos fazer agora uma análise considerando somente a armadura. Ela produz um campo magnético, conforme figura do slide anterior. Este campo age de maneira semelhante aqueles produzidos pelo enrolamento de campo.
A intensidade do fluxo de armadura depende de sua força magnetomotriz que por sua vez depende da corrente que circula por esta.
O fluxo de armadura não é constante ao contrário do fluxo produzido pelo enrolamento de campo.
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REAÇÃO DE ARMADURA
Quais problemas podemos prever por causa do reação de armadura?
Podemos mostrar que o fluxo na zona neutra não é mais nulo e, consequentemente uma tensão será induzida nas bobinas que estão curto-circuitadas pelas escovas. Como consequência, severas faíscas podem ocorrer. A intensidade das faíscas depende do fluxo da armadura e assim da corrente que circula pela armadura.
O segundo problema criado pela fmm de armadura é que ela distorce o fluxo produzido pelos polos. Como efeito resultante, é que a combinação da fmm de armadura e da fmm de campo produz um campo magnético cuja forma ;é ilustrada a seguir.
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REAÇÃO DE ARMADURA
Aumento do fluxo nessa região.
Aumento do fluxo nessa região.
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REAÇÃO DE ARMADURA
Com a presença desse fenômeno, a zona neutra é deslocada na direção de rotação. Isto ocorre em todos os geradores.
Esse fenômeno produz ainda um outro efeito:
A elevada densidade nas extremidades 2 e 3 dos polos causa saturação nesse conjunto.
O aumento do fluxo nessas extremidades é menor do que o decréscimo no fluxo na extremidade dos polos 1 e 4. 
Como resultado, o fluxo total produzido pelos polos norte e sul é menor do aquele produzido quando o gerador está em vazio. Isto causa uma redução da tensão induzida.
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Deslocamento das escovas para melhorar a comutação
Devido ao deslocamento da zona neutra quando o gerador está em carga, deveremos deslocar as escovas para reduzir o faiscamento.
Para geradores, as escovas são deslocadas para a nova zona neutra na direção de rotação. Para motores, as escovas são deslocadas na direção contrária a de rotação.
A zona neutra é influenciada pelo valor da corrente de armadura?
Se a carga flutua, a fmm de armadura aumenta e diminui de maneira que a zona neutra desloca-se para trás e para frente entre as posições a vazio e de plena carga. 
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Deslocamento das escovas para melhorar a comutação
Significa que deveremos mover as escovas para trás e para frente para obter uma comutação com menos faíscas. Tal procedimento não é prático e temos outros meios para resolver o problema.
Para pequenas máquinas cc, entretanto, as escovas são ajustadas em uma posição intermediária para assegurar de forma razoável uma boa comutação para todas as cargas. 
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REAÇÃO DE ARMADURA – POLOS DE COMUTAÇÃO
Como então atenuar os efeitos da reação de armadura?
Isto pode ser feito a partir dos polos de comutação.
Para se opor ao efeito da reação de armadura nas máquinas cc de médio e grande portes, colocam-se polos de comutação entre os principais polos. Nestes polos são colocados enrolamentos os quais são conectados em série com a armadura.
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REAÇÃO DE ARMADURA – POLOS DE COMUTAÇÃO
Quantidade de espiras no enrolamento de compensação
É projetado para que os polos desenvolvam a força magnetomotriz fmmc igual e oposta a força magnetomotriz de armadura fmma. Como a corrente de carga varia, as duas forças magnetomotrizes aumentam e diminuem juntamente.
O fluxo no espaço entre os polos é sempre zero e então não precisamos ter mais deslocamento das escovas.
OBS: O processo de neutralização do fluxo de armadura é restrito a pequena região da escova onde a comutação ocorre. O fluxo distorcido distribuído sob os principais polos permanece o mesmo. 
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Deslocamento das escovas para melhorar a comutação
Devido ao deslocamento da zona neutra quando o gerador está em carga, deveremos deslocar as escovas para reduzir o faiscamento.
Para geradores, as escovas são deslocadas para a nova zona neutra na direção de rotação. Para motores, as escovas são deslocadas na direção contrária a de rotação.
A zona neutra é influenciada pelo valor da corrente de armadura?
Se a carga flutua, a fmm de armadura aumenta e diminui de maneira que a zona neutra desloca-se para trás e para frente 
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