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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CAMPUS DE SOBRAL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Máquina de Corrente Contínua (MCC) Disciplina: Máquinas Elétricas Professor: Isaac Machado Conhecer os aspectos contrutivos; Entender o princípio de funcionamento da MCC; Apresentar os métodos de excitação; Apresentar o equacionamento básico; Apresentar os efeitos da reação da armadura; Analisar o desempenho do funcionamento como motor e gerador. OBJETIVOS INTRODUÇÃO As MCC se caracterizam pela sua versatilidade; Diversas características de “V X I” e “T X ω” em regime permanente; Diversas combinações combinações de enrolamentos de campo (derivação, série, paralelo, etc.); Controle de velocidade simples (uso de retificadores); INTRODUÇÃO O desenvolvimento das técnicas de acionamentos das máquinas CA e sua viabilidade econômica tem favorecido a substituição de MCC por motores de indução acionados por inversores de frequência; Apesar disto, devido às suas características e vantagens, o MCC ainda é utilizado em muitas aplicações. FUNDAMENTOS BÁSICOS Regra da mão esquerda para determinar o sentido de rotação Funcionamento como gerador (fem): FUNDAMENTOS BÁSICOS Nas posições 2 e 6 a fem induzida é máxima enquanto que em 0 e 4 a fem induzida é nula (linha neutra); Não há fem induzida nos condutores ad ou cd; Necessita-se de uma retificação da fem induzida (comutador). FUNDAMENTOS BÁSICOS Ação do comutador (gerador): Problema: fem induzida muito pulsante! FUNDAMENTOS BÁSICOS Ação do comutador (gerador): Problema: fem induzida muito pulsante! FUNDAMENTOS BÁSICOS Ação do comutador (gerador): O problema da fem pulsante pode ser contornado com o aumento do número de bobinas ou segmentos do comutador; Acima mostra-se o efeito de uma máquina com 2 escovas e quatro segmentos no comutador (quatro comutações por revolução mecânica) FUNDAMENTOS BÁSICOS FUNDAMENTOS BÁSICOS Número de pólos FUNDAMENTOS BÁSICOS Ação do comutador (motor): ASPECTOS CONSTRUTIVOS Estator: ASPECTOS CONSTRUTIVOS Rotor: ASPECTOS CONSTRUTIVOS Comutador e escovas Estator e rotor ASPECTOS CONSTRUTIVOS Estator: - Enrolamento de campo ou imã permanente; - Pólos salientes; - Distribuição de fluxo simétrica em relação ao enrolamento da armadura (eixo direto). Rotor: - Enrolamento de armadura; - Uma tensão CA é observada na armadura; - A combinação do comutador rotativo mais escovas forma um “retificador mecânico”; - Uma tensão CC é observada nos terminais da armadura (escovas); - Distribuição de fluxo fixa no espaço e em quadratura com o fluxo de campo. Eixo Direto Eixo em Quadratura - Escovas posicionadas na linha neutra, a meio caminho entre pólos. Logo, a FMM de armadura estará sempre a 90º da FMM de campo. CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO Supondo a densidade de fluxo do entreferro senoidal, o conjugado poderá ser obtido a partir da interação dos campos magnéticos de campo e armadura, como discutido no capítulo 4 (Fitzgerald): Eixo Direto Eixo em Quadratura daadmec SenF Pólos T 1 2 22 Mas, ,90oda logo: 1 2 22 admec F Pólos T . . 1 armadurade FMMdalfundamenta ComponenteF póloporFluxo a d CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO O valor de pico da onda dente de serra da FMM da armadura é dado pela equação 4.9(Fitzgerald) e sua componente fundamental espacial Fa1 é 8/π vezes o valor de pico, logo substituindo na equação anterior: a a dmec i mPólos CPólos T 2 8 22 2 2 Reagrupando os termos: Onde: adaad a mec iKi m PólosC T 2 a a C K ai m Constante (depende do projeto do enrolamento) Número de condutores no enrolamento da armadura Número de caminhos em paralelo no enrolamento Corrente de armadura 2 TENSÃO DE ARMADURA A tensão de armadura ea, também conhecida como “tensão de velocidade”, foi discutida na seção 4.3.2 (Fitzgerald) e tem seu valor dado por: mdamd a a K m PólosC e 2 Onde: a a C K m m Constante (depende do projeto do enrolamento) Número de condutores no enrolamento da armadura Número de caminhos em paralelo no enrolamento Velocidade mecânica CURVA DE MAGNETIZAÇÃO O fluxo de eixo direto φd é produzido pela FMM do enrolamento de campo; A característica φd X FMM de campo é definida como “curva de magnetização”; Nas curvas de magnetização abaixo considera-se que a FMM de armadura não influencia φd (FMM da armadura sobre o eixo em quadratura a 90º de φd); As curvas não passam pela origem, pois a estrutura não se desmagnetiza completamente quando a FMM líquida de campo é reduzida a zero (magnetismo residual); CURVA DE MAGNETIZAÇÃO CURVA DE MAGNETIZAÇÃO A linha reta tracejada que passa pela origem e coincide com a porção reta das curvas de magnetização é chamada “linha de entreferro”. TIPOS DE EXCITAÇÃO TIPOS DE EXCITAÇÃO CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO (GERADOR) Velocidade Constante CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO (GERADOR) Auto-excitados: - Compreendem às excitações em Derivação, Composto e Série. - Com o magnetismo residual da máquina inicia-se o processo da auto- excitação. - Nos de excitação série Ia=If, de modo que o fluxo e tensão terminal variem muito com a carga (não são muito utilizados). - Nos de excitação composta, o campo série é conectado de forma a auxiliar o enrolamento em derivação resultando numa tensão terminal que aumenta ligeiramente com a carga. Velocidade Constante CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO (MOTOR) CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO (MOTOR) A principal vantagem da excitação em derivação é a possibilidade do controle de velocidade via reostato de campo; Excitação Série: - O aumento de carga é acompanhado de um aumento de Φd e Ia; - Como Φd aumenta com a carga, ωm deve cair para manter o equilíbrio entre a tensão aplicada e a força contra- eletromotriz. - Motor de velocidade muito variável; A excitação composta pode ser aditiva ou subtrativa. Esta conexão tem características intermediárias entre os motores série e em derivação. EXEMPLO Uma Máquina CC de excitação independente, 25 kW, 125 V opera com velocidade constante de 3000 rpm e uma corrente de campo constante tal que a tensão de armadura em circuito aberto seja de 125 V. a resistência de armadura é de 0,02 Ω. Calcule a corrente de armadura, potência terminal e potência e conjugado eletromagnéticos quando a tensão terminal é de (a) 128 V e (b) 124 V. REAÇÃO DA ARMADURA REAÇÃO DA ARMADURA As correntes das bobinas da armadura criam linhasde fluxo que cruzam as faces polares (cruzam o caminho do fluxo principal de campo); Também chamada de “Reação da Armadura de Magnetização Cruzada”; Principais efeitos: - Deslocamento da linha neutra (centelhamento das escovas) - Desmagnetização do campo Principal (menor FEM Induzida) REAÇÃO DA ARMADURA Soluções 1) Deslocar as escovas da linha neutra geométrica para linha neutra real (posicionamento complexo); 2) Enrolamentos de compensação: - Condutores alojados em ranhuras nos pólos e ligados em série com o circuito exterior - A corrente circula no enrolamento de compensação em sentido oposto à corrente de armadura induzido provocando um campo de sentido oposto - Solução cara e aumenta as perdas no cobre REAÇÃO DA ARMADURA Soluções 3) Utilização de interpolos: - Melhoram a comutação e eliminam o deslocamento da linha neutra - São colocados na linha neutra geométrica e ligados em série com a armadura - Produzem campo magnético oposto ao da armadura CURVA DE MAGNETIZAÇÃO CURVA DE MAGNETIZAÇÃO EXEMPLO Um gerador CC composto de 100 kW, 250 V e 400 A, com ligação em derivação longa, tem resistência de armadura de 0,025 Ω, a resistência do campo série é de 0,005 Ω e a curva de magnetização foi mostrada no slide anterior. Há um campo em derivação com 1000 espiras por pólo e um campo série com 3 espiras por pólo. O campo série é ligado de forma que uma corrente positiva de armadura produz uma FMM no eixo direto que se soma ao campo em derivação. Calcule a tensão terminal, para corrente nominal de terminal, quando a corrente de campo em derivação é de 4,7 A e a velocidade é 1150 rpm. Despreze os efeitos da reação de armadura. EXEMPLO Considere o gerador CC composto do exemplo anterior. Como naquele exemplo, calcule a tensão terminal para corrente terminal nominal, quando a corrente de campo em derivação é de 4,7 A e a velocidade é de 1150 rpm. No entanto, considere o efeito da reação da armadura. EXEMPLO Para contrabalançar os efeitos da reação da armadura, uma quarta espira é acrescentada no enrolamento de campo série do gerador CC dos exemplos anteriores, aumentando sua resistência para 0,007 Ω. Repita os cálculos da tensão terminal considerando o efeito da reação da armadura. ANÁLISE DE DESEMPENHO (GERADOR) Geradores CC em derivação tem auto-excitação a espontânea. Com o aumento ωm, Ea aumentará naturalmente (escorvamento) atingindo um valor que pode ser determinado a partir da análise gráfica da “curva de magnetização” e da “linha de resistência de campo” (segmento 0a da figura anterior); Esta tendência pode ser vista examinando-se como a tensão gerada se eleva em condições à vazio; Ea deve ser elevada até um determinado valor de regime permanente. Este valor pode ser encontrado a partir da interseção da curva de magnetização (Ia = 0) com a linha de resistência de campo. No caso da figura anterior, o ponto de interseção é Ea = 250 V e If = 5 A; Em regime permanente, para qualquer If, a distância vertical entre a curva de magnetização e a linha de resistência de campo equivale à queda de tensão RaIa e a ordenada da linha de resistência de campo é igual à tensão terminal. EXEMPLO (GERADOR) Um gerador CC em derivação, 100 kW, 250 V, 400 A, 1200 rpm tem as curvas de magnetização (incluindo o efeito da armadura) na figura anterior. A resistência de armadura é de 0,025 Ω. O gerador é acionado com uma velocidade constante de 1200 rpm, e a excitação é ajustada (variando o reostato de campo) para que seja fornecida a tensão nominal à vazio. (a) Determine a tensão terminal para Ia = 400 A. (b) Deve-se acrescentar um campo série de 4 espiras por pólo tendo uma resistência de 0,005 Ω. Há 1000 espiras por pólo no campo em derivação. O gerador deve ser composto plano de modo que a tensão a plena carga seja 250 V quando o reostato de campo em derivação estiver ajustado para fornecer uma tensão à vazio de 250 V. Mostre como um resistor “em paralelo com o campo série” pode ser ajustado para produzir o efeito desejado. ANÁLISE DE DESEMPENHO (MOTOR) Usualmente a tensão terminal é imposta pela fonte ou controlada num valor específico. A análise se assemelha a de um gerador CC com excitação independente, embora a velocidade seja uma variável importante e que geralmente é aquela cujo valor deve ser encontrado; EXEMPLO (MOTOR) Um motor em derivação de 100 HP e 250 V tem as curvas de magnetização (incluindo o efeito da reação da armadura) mostradas na figura anterior. A resistência de armadura é de 0,025 Ω. As perdas rotacionais à vazio são de 2 kW e as perdas suplementares são iguais a 1% da saída. O reostato de campo é ajustado para uma velocidade à vazio de 1100 rpm. (a) Determine a velocidade em rpm e a potência de saída em HPs, correspondendo a Ia = 400 A.. (b) Como a característica de velocidade X conjugado observada em (a) não é desejada, um “enrolamento de estabilização” consistindo em 1,5 espiras aditivas em série por pólo, deve ser acrescentado. Há 1000 espiras por pólo no campo em derivação derivação. Calcule a velocidade correspondente para Ia = 400 A. OBRIGADO! isaacmachado@gmail.com
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