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INTRODUÇÃO
A história de maquina-as de corrente contínua nasce ao igual que os transformadores da
descoberta da lei da indução, esta máquina passo por quatro etapas de desenvolvimento.
No trabalho de investigação que se apresenta nestas páginas, se põe ênfases na evolução da
máquina de corrente contínua, e se abunda ademais nos elementos construtivos dela.
É importante destacar também a importância das máquinas de corrente contínua no mundo do
transporte, campo no qual são muito utilizadas por sua facilidade de manter constante a
velocidade de rotação, bem como também na fabricação de micromotores utilizados na
eletrônica.
TEMAS GERAIS DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA
TEMAS GERAIS DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA
1. Breve história do desenvolvimento das máquinas de corrente contínua.
Com a descoberta da lei da indução electromagnética por Faraday, começa a história das
máquinas elétricas e até meados da oitava década do século passado, representa em essência
a história do desenvolvimento da máquina de corrente contínua. No curso deste tempo esta
máquina passou quatro períodos de desenvolvimento, a saber:
1) Máquinas tipo magnetoeléctrico com ímanes permanentes,
2) Máquinas tipo electromagnético com excitação independente,
3) Máquinas do mesmo tipo com autoexcitación e tipo elementar do induzido, e
4) Máquinas do tipo de pólos múltiplos com induzido aperfeiçoado.
O primeiro período de desenvolvimento da máquina de corrente contínua, que abrange o tempo
desde 1831 até 1851, está enlaçado ininterruptamente com os nomes dos cientistas russos E. J.
Lenz e B. Séc. Jacobi.
O segundo e terceiro período de desenvolvimento da máquina de corrente contínua, que
abrangem nos anos de 1851 a 1871, se caraterizam pelo passo às máquinas do tipo
electromagnético, ao princípio, com excitação independente, e depois, com autoexcitación, e
bem como pelo passo da máquina bipolar à multipolar.
No quarto período de seu desenvolvimento (de 1871 a 1886) a máquina de corrente contínua
adquiriu os rasgos fundamentais da construção moderna. Foram propostas e realizadas: a
máquina com autoexcitación de Gramme e o induzido de anel de Pacinotti; o tipo hoje em dia
normal de induzido de tambor (Hefner - Altenek, ano 1871); os tipos simples de arrollamientos
de laço e ondulados e suas principais modificações, arrollamientos em série-paralelo de Arnold,
arrollamientos mistos (em pata de rana), conexões compensadoras dos arrollamientos e os
arrollamientos compensadores para compensar reação do induzido (Mengues, ano 1884), pólos
auxiliares para melhorar a conmutación (Meter. ano 1885), divisor de tensão de M. Ou.
Dolivo-Dobrovolski.
Para o desenvolvimento posterior das máquinas de corrente contínua teve grande importância a
criação do conversor com um induzido de corrente alternada a contínua e o conversor inverso de
corrente contínua a alternada; a criação de instalações potentes segundo o sistema Leonardo
Ilgner para a indústria (instalações metalúrgicas e máquinas de extração), instalações com
conversores a vapor de mercurio para a alimentação das máquinas de corrente contínua dos
dispositivos industriais e os, ferrovias electrificados tanto nas subestaciones de tração, como
nas locomotivas elétricas.
Na terceira década de nosso século começa-se a elaboração de tipos especiais de máquinas
elétricas com campo transversal segundo o sistema de Rosenberg para a iluminação dos
#comboio e a soldadura elétrica, bem como para empregá-las em qualidade de amplidinos para
o comando nos sistemas de acionamento elétrico complicado.
As máquinas de corrente contínua obtiveram amplo emprego ao princípio como
turbogeneradores de alta velocidade e de potência limitada, e a seguir como excitadores dos
turbogeneradores sincrónicos de alta velocidade e alta potência.
As máquinas de corrente contínua acharam sobretudo amplo emprego nos mecanismos
auxiliares dos comandos elétricos de barco, bem como para a propulsão elétrica dos barcos.
Para o rápido desenvolvimento dos comandos precisos automatizados com ampla e suave
regulação das velocidades teve grande importância na criação de micromotores de corrente
contínua para dispositivos especiais (máquinas de comando e calculadoras), a elaboração de
toda uma série de máquinas de corrente contínua de produção em massa de potência pequena
e meia e a produção em série de máquinas de corrente contínua de grande potência.
Paralelamente à perfeição da construção das máquinas de corrente contínua realizava-se um
grande trabalho teórico e de investigação. Para o princípio do desenvolvimento têm sobretudo
grande importância os trabalhos de A. G. Stolétov sobre a investigação das propriedades
magnéticas dos materiais ferromagnéticos, que se adotaram como base dos métodos racionais
de cálculo.dos circuitos magnéticos das máquinas elétricas.
2. Fundamentos das Máquinas de Corrente Contínua
As máquinas de corrente contínua são geradores que convertem energia mecânica em energia
elétrica de corrente contínua, e motores que convertem energia elétrica de corrente contínua em
energia mecânica. A maioria as máquinas de corrente contínua são semelhantes às máquinas
de corrente alternada já que em seu interior têm correntes e voltagens de corrente alternada. As
máquinas de corrente contínua têm corrente contínua só em seu circuito exterior devido à
existência de um mecanismo que converte as voltagens internas de corrente alternada em
voltagens corrente contínua nos terminais. Este mecanismo chama-se agregador, e por isso as
máquinas de corrente contínua se conhecem também como máquinas com agregador.
2.1 Partes básicas das máquinas de corrente contínua reais
A máquina de corrente contínua consta basicamente das partes seguintes:
2.1.1 Indutor
É a parte da máquina destinada a produzir um campo magnético, necessário para que se
produzam correntes induzidas, que se desenvolvem no induzido.
O indutor consta das partes seguintes:
Peça polar: É a parte do circuito magnético situada entre a culata e o entrehierro, incluindo o
núcleo e a expansão polar.
Núcleo: É a parte do circuito magnético rodeada pelo devanado indutor.
Devanado indutor: é o conjunto de espiras destinado a produzir o fluxo magnético, ao ser
percorrido pela corrente elétrica.
Expansão polar: é a parte da peça polar próxima ao induzido e que bordea ao entrehierro.
Pólo auxiliar ou de conmutación: É um pólo magnético suplementar, provisto ou não, de
devanados e destinado a melhorar a conmutación. Costumam empregar nas máquinas de
média e grande potência.
Culata: É uma peça de substância ferromagnética, não rodeada por devanados, e destinada a
unir os pólos da máquina.
2.1.2 Induzido
É a parte giratória da máquina, também chamado rotor.
O induzido consta das seguintes partes:
Devanado induzido: é o devanado conectado ao circuito exterior da máquina e no que tem
local a conversão principal da energia
Agregador: é o conjunto de lâminas condutoras (delgas), isoladas umas de outras, mas
conectadas às seções de corrente contínua do devanado e sobre as quais esfregam as escovas.
Núcleo do induzido: É uma peça cilíndrica montada sobre o corpo (ou estrela) afixado ao eixo,
formada por núcleo de chapas magnéticas. As chapas dispõem de umas ranhuras para alojar o
devanado induzido.
2.1.3 Escovas
São peças condutoras destinadas a assegurar, por contato deslizante, a conexão elétrica de um
órgão móvel com um órgão fixo.
2.1.4 Entrehierro
É o espaço compreendido entre as expansões polares e o induzido; costuma ser normalmente
de 1 a 3 mm, o indispensável para evitar o rozamiento entre a parte fixa e a móvel.
2.1.5 Buchas
São as peças que servem de apoio e fixação do eixo do induzido.
2.1.6 Diagrama de uma máquina de corrente contínua.
Os componentes da máquina de corrente contínua podem ser apreciado claramente na figura 1.
A parte de 1 à 5 formam o indutor. Em conjunto as partes 2 e 3 designam-se por pólo indutor.
A parte 6 constitui o induzido, ao que vai enrolado um motorista de cobre formando o
arrollamiento do induzido.Ao redor dos núcleos polares, vai enrolando, em forma de hélice, o arrollamiento de excitação
(8). Analogamente a cada núcleo dos pólos de conmutación leva um arrollamiento de
conmutación (9). A parte 10 representa o comutador ou agregador, que este constituído por
várias lâminas isoladas entre si, formando um corpo cilíndrico.
O arrollamiento do induzido está unido por motoristas com as laminas do agregador; induzido e
agregador giram conjuntamente. Sobre a superfície do agregador rozan uns contatos a pressão
mediante uns berços. Ditas peças de contato chamam-se escovas. O espaço livre entre as
peças polares e o induzido chama-se entrehierro.
3. Rendimento e Perdidas das Máquinas de Corrente Contínua
O rendimento de uma máquina elétrica de corrente contínua está expresso, pela expressão:
= potência fornecida / potência absorvida Exp.1
Também pode ser expressado desta forma:
= potência fornecida / (potência fornecida + perdas de potência) Exp. 2
Também como:
= potência absorvida - perdas de potência / potencia absorvida Exp. 3
Portanto, se as perdas da máquina conhecem-se, pode ser obtido o rendimento correspondente
a qualquer potência útil ou absorvida.
Como que se fazem intervir magnitudes elétricas mais bem que mecânicas nas determinações
de rendimentos, o Exp.1 aplica-se aos geradores (potência útil elétrica) e o Exp.3 aos motores
(potência absorvida elétrica).
O rendimento pode ser determinado medindo simultaneamente a potência útil (fornecida) e a
absorvida e tomando seu relacionamento do Exp.1. Com frequência, isto é muito difícil ou
inviável. Embora em um gerador é singelo medir a potência útil com aparelhos elétricos, é em
mudança difícil a potência motriz, já que requer a medida do par. Se dispõe-se de um
dinamómetro elétrico, simplifica-se muito a medição, mas esta classe de dinamómetro não se
dispõe ordinariamente mais que em equipes especiais. Com os motores, determina-se
facilmente a potência absorvida, com aparelhos elétricos, e a útil mediante um travão de Prony
ou um dinamómetro. No entanto, exceto para potências pequenas, é difícil absorver a energia
em um travão de Prony, e também os dinamómetros são instrumentos especiais e limitados até
potências de 100 cavalos. Tanto para os motores como os geradores, especialmente para
potências elevadas, é com frequência impossível fornecer e absorver a energia que se precisa
para a prova.
Também, quando se emprega o Exp.1, um erro percentual em, a potência útil ou na absorvida
conduz ao mesmo erro percentual no rendimento, e como a precisão dos aparelhos elétricos é
elevada, a diferença entre a potência útil e a absorvida costuma ser pequena, e o Exp.1 não
resulta muito precisa. No Exp.2 e 3, exceto pára pequenas cargas, as perdas são pequenas,
comparadas com a potência útil ou a absorvida, e qualquer erro que se produza na avaliação
das perdas afeta o rendimento unicamente em uma fração pequena do mesmo. De aqui que, em
muitos casos, se prefira utilizar o Exp.2 e 3, para a determinação do rendimento dos aparelhos
elétricos.
Por outra parte as perdas podem ser dividido em 2 grandes grupos:
As perdas de marcha em vazio Po que compreendem as que chamamos perdas em vazio e,
ademais, as perdas por excitação. As primeiras são constantes já que seu valor não depende da
carga nem da corrente do induzido. As perdas por excitação são proporcionais ao quadrado da
corrente de excitação mas, em conjunto, resultam muito pequenas em comparação com as
anteriores. Portanto, pode ser dito que as perdas de marcha em vazio são sensivelmente
constantes, isto é,
Po = a = constante
As perdas de marcha em carga Pj que dependem, essencialmente, da corrente do induzido e
são proporcionais ao quadrado de dita corrente, exceto no que se refere às perdas adicionais
que, por ser de valor muito pequeno com respeito às anteriores, não se têm em conta. Em
resumo, que as perdas de marcha em carga são proporcionais ao quadrado da corrente do
induzido:
Pj = b I2
Finalmente, a potência fornecida equivale:
Pb = Ub I
Isto é, que resulta proporcional à corrente de carga.
Portanto
Pb = K·I
O rendimento pode ser expressado da seguinte maneira:
= KI/(KI+a+bI2)
Se trata-se de um gerador, a potência mecânica Pm é a absorvida pelo gerador.
Pm = Pb + Pp
A potência Pb é a fornecida. Para um gerador, o rendimento está expressado por.
= Pb/Pm =Pb /(Pb + Pp)
Se trata-se de um motor, a potência elétrica em bornes Pb é a absorvida pela máquina, e a
potência mecânica Pm é a fornecida, neste caso:
Pb = Pm + Pp
! Pm = Pb -Pp
Para um motor, a expressão do rendimento é:
= Pm/ Pb = (Pb- Pp) / Pp = Pm/(Pm + Pp)
.4.1 Curva de rendimento
A curva de rendimento fornece a variação do rendimento de uma máquina de corrente contínua,
em função da carga da mesma, ou seja a caraterística = f(I).
Figura 15. Curva de Rendimento de uma máquina de corrente contínua.
São cargas pequenas, e devido à influência das perdas de marcha em vazio, as quais são
constantes, o rendimento é muito baixo, mas à medida que cresce a carga, cresce também o
rendimento até atingir um máximo situado geralmente nas proximidades da abscisa
correspondente a 0,7 In. A partir deste ponto, o rendimento volta a diminuir mas com uma
pendente menos pronunciada; ésto é como, as perdas de marcha em carga crescem com o
quadrado da corrente: no caso de curto-circuito, o rendimento voltaria a ser nulo.
A partir da expressão do rendimento achada anteriormente:
Determina-se a condição de rendimento máximo. Para que se cumpra esta condição, a primeira
derivada tem de ser nula, ou seja d/dei = 0.
Realizando operações obtém-se que a = bI2 ou seja que a condição de rendimento máximo é
que as perdas de marcha em vazio e as perdas de marcha em carga sejam iguais.
Portanto, para máquinas que tenham de trabalhar a cargas parciais, convém reduzir o valor das
perdas constantes.
Convém também que a máquina não marche com carga débil pois, da expressão anterior e da
curva de rendimento se deduze que o rendimento é muito baixo nestes casos; portanto, não é
aconselhável empregar máquinas cuja potência ultrapasse excessivamente a potência
necessária para o serviço em questão.
3.1 classificação das perdidas
Perda I2R de cobre de armadura:
A 75°C a resistividad de cobre é 8.25 x10-7/in3. Portanto, para um devanado de armadura de Z
condutores, a cada um com uma longitude de MLT/2 (a metade de uma volta de longitude média
da bobina), a cada um com uma área de seção transversal da e dispostos em vários circuitos
paralelos, a resistência é:
Ra = Z ohms
A MLT (volta de longitude média) encontra-se melhor por desenho, mas um valor
aproximado é MLT = 2[(1.35) (passo polar) + (longitude de rotor) × 3].
Também há perdas de corrente parásita nas bobinas do rotor, mas estas podem ser mantido ao
mínimo pela malha de motorista; na perda de carga inclui-se uma tolerância para estas perdas.
Perdas I2R de campo de compensação, de conmutación e série:
Estas mudanças também transportam a corrente de linha, e as perdas I2R se encontram
facilmente quando se conhece a resistência das bobinas. Seu MLT encontra-se em diagramas.
A 75°C.
R= p ohms
Em onde R é a resistência de campo em ohms, T é o número de voltas por bobina, p é o número
de pólos, MLT é a longitude média de volta e A é a área do motorista.
E1 total destas perdas oscila entre 60 e 100% da I2 R de armadura para máquinas
compensadas e é menor que 50% para máquinas não compensadas.
Perdas I2R de carvões:
Esta perda é ocasionada pela corrente de carga que passa pela queda de voltagem de contato
entre os carvões e o comutador. A queda de contato supõe-se que é um volt.
Perda I2 R do carvão = 2 (amperes de linha) watts
Perda de carga:
A presença de corrente de carga nos motoristas de armadura resulta em distorções de fluxo ao
redor das ranhuras, no entrehierro e as caras polares. Estas distorções causam perdas nos
motoristas e no ferro que são difíceis de calcular e medir. Fixou-se um valor regular em 1% da
saída de máquina.
Perda de campo em derivação:
Oscálculos de aquecimento relacionam-se só com a perda I2 R cobre de campo. Acostuma-se,
no entanto, carregar a máquina com quaisquer perdas de reóstato ao determinar a eficiência.
Perda de reóstato e campo em derivação = IfVex watts
Em onde If é a corrente total de campo e Vex é a voltagem de excitação.
Perda de núcleo:
O fluxo em qualquer porção da armadura passa por p/2.c/r (ciclos por revolução) ou por (p/2)
[(r/min)/60] Hz.
As perdas de ferro estão formadas pela perda de histéresis, que tanto faz a K.1.6fw watts, e a
perda de corrente de redemoinho, que tanto faz a Ke.(ft)2 w watts. K é a constante de histéresis
do ferro usado, Ke é uma constante inversamente proporcional à resistência elétrica do ferro, é a
densidade máxima de fluxo em linhas por polegada quadrada, f é a frequência em hertz, w é o
peso em libras, e t é o grosso das laminações do núcleo em polegadas.
A perda de redemoinho reduz-se ao usar ferro com resistência elétrica tão alta como seja
exeqüível. O ferro de muito alta resistência apresenta uma tendência a ter baixa permeabilidad
de fluxo e a ser mecanicamente quebradizo e caro; raras vezes justifica-se seu uso em
máquinas de corrente contínua. A perda mantém-se a um valor aceitável mediante o uso de
laminações delgadas de núcleo, de 0.017 a 0.025 in de grosso.
Ainda assim, há outras perdas no núcleo que podem diferir grandemente inclusive em máquinas
idênticas e que não se prestam a cálculos. Estas perdas são:
Perda devida ao limado de ranhuras: Quando se montaram as laminações, se encontrará em
alguns casos que as ranhuras são ásperas e devem limarse para evitar cortar o isolamento de
bobina. Isto introduz rebabas nas laminações e tende a pôr em curto-circuito a resistência
interlaminar.
As perdas no cepo (ou regalo) sólido, placas de extremo de núcleo e suportes de bobina de
fluxos de fuga podem ser consideráveis.
As perdas devidas a distribuição não uniforme de fluxo no núcleo de rotor são difíceis de
antecipar. Ao calcular a densidade de núcleo, acostuma-se supor distribuição uniforme sobre a
seção do núcleo. No entanto, o fluxo toma a trajetória de menor resistência e concentra-se
depois dos dentes até que a saturação a obriga a passar nas trajetórias mais longas e menos
usadas que se encontram abaixo. Como resultado da concentração, a perda de núcleo, que é
aproximadamente proporcional ao quadrado da densidade, é maior que o calculado.
Portanto, não é possível predeterminar a perda total do núcleo mediante o uso de fórmulas
fundamentais. Em consequência, os cálculos de perda de núcleo para novos desenhos
baseiam-se pelo geral nos resultados de provas em máquinas similares construídas baixo as
mesmas condições.
Perda por fricção de carvões:
Esta perda varia com a condição da superfície do comutador e o grau de cepillera de carvão
utilizada. Uma máquina típica tem uma perda de ao redor de 8 W/(in2 de superfície de contato
de carvão)( 1000 ft/min) de velocidade periférica quando se usa uma pressão normal de carvão
de 2 ½ Ib/in2.
Fricção de carvão = (8) (área de contato) (velocidade periférica/l000)
Fricção e resistência ao vento:
A maior parte das máquinas de corrente contínua grandes usam buchas de metal babbitt e
muitas máquinas pequenas utilizam buchas de bolas ou rolamentos, ainda que ambos tipos de
buchas podem ser usado em máquinas de qualquer tamanho. As perdas de fricção de buchas
dependem da velocidade, a carga da bucha e a lubrificação. As perdas por resistência ao vento
dependem da construção do rotor, sua velocidade periférica e as restrições da máquina ao
movimento do ar. As duas perdas concentram-se na maior parte dos cálculos como não é prático
separar durante as provas de l
4. Tipos Fundamentais de Máquinas de Corrente Contínua
As máquinas de corrente possuem o princípio de reversibilidad, o que a faz trabalhar em regime
de motor e em regime de motor. Partindo desta realidade, estas máquinas podemos a dividir em
dois grandes grupos:
Geradores de corrente contínua
Motores de corrente contínua
Geradores de Corrente Continua.
Nas centrais elétricas modernas praticamente gera-se só energia elétrica de corrente alternada
trifásica. Uma parte significante desta energia usa-se na mesma forma de corrente alternada na
indústria para os fins de alumbrado e necessidades domésticas.
Nos casos em que pelas condições de produção é necessária ou preferencial a corrente
contínua (empresas da indústria química e metalúrgica, transporte, etc.) esta se obtém, com mais
frequência, transformando a corrente alternada em contínua com auxílio de conversores iônicos
ou mecânicos. No último caso empregam-se instalações pelo esquema motor - gerador, nas que
o motor de corrente alternada se acopla com o gerador de corrente contínua em uma mesma
árvore.
Os geradores de corrente contínua empregam-se como fontes primárias de energia
principalmente nas instalações isoladas (como excitadores das máquinas sincrónicas), nos
caminhões, aviões, para a soldadura ao arco, para o alumbrado dos #comboio, nos submarinos,
etc.
Os geradores modernos de corrente contínua utilizam armaduras de tambor, que costumam
estar formadas por um grande número de bobinas agrupadas em hendiduras longitudinais
dentro do núcleo da armadura e conectadas aos segmentos adequados de um comutador
múltiplo. Se uma armadura tem um só circuito de cabo, a corrente que se produz aumentará e
diminuirá dependendo da parte do campo magnético através do qual se esteja movendo o
circuito.
Um comutador de vários segmentos usado com uma armadura de tambor liga sempre o circuito
externo a um de cabo que se move através de uma área de alta intensidade do campo, e como
resultado a corrente que fornecem as bobinas da armadura é praticamente constante. Os
campos dos geradores modernos equipam-se com quatro ou mais pólos electromagnéticos que
aumentam o tamanho e a resistência do campo magnético. Em alguns casos, acrescentam-se
interpolos mais pequenos para compensar as distorções que causa o efeito magnético da
armadura no fluxo elétrico do campo.
O campo indutor de um gerador pode ser obtido mediante um íman permanente (magneto) ou
por médio de um electroimán (dinamo). Neste último caso, o electroimán excita-se por uma
corrente independente ou por autoexcitación, isto é, a própria corrente produzida na dinamo
serve para criar o campo magnético nas bobinas do indutor. Existem três tipos de dinamo
segundo seja a forma em que estejam acoplados o indutor e o induzido: em série, em derivação
e em combinação.
O campo de aplicação dos geradores de corrente contínua é bastante amplo e
correspondentemente são muito diversas as exigências propostas a estes com respeito à
potência, tensão, velocidades de rotação, fiabilidade de funcionamento, prazos de serviço, etc.
Aqui examinaremos só as propriedades fundamentais dos geradores de corrente contínua, sem
tocar os regimes especiais de funcionamento.
Classificação:
Os geradores auto excitadores dividem-se, segundo o método de conexão dos arrollamientos de
excitação, em a) geradores (dínamos) em derivação (em shunt), b) geradores (dínamos) em série
e c) geradores de excitação composta (dinamos compound).
Classificação dos geradores de corrente contínua pelo método de excitação
Pelo método de excitação os geradores de corrente contínua dividem-se em geradores com
excitação independente e geradores auto excitador.
Os geradores com excitação independente se, dividem em a) geradores excitados por via
electromagnética, e b) geradores com ímanes permanentes.
Os geradores com excitação independente têm a corrente do induzido igual à corrente da carga,
e no caso geral sua tensão externa é diferente de sua tensão de carga. Por outro lado em um
gerador em derivação a corrente do induzido tanto faz à soma da corrente da carga e a corrente
de excitação, mas sua voltagem de carga é o mesmo externo.
O gerador em série carateriza-se porque as correntes de carga, do induzido e de excitação são
as mesmas. O gerador de excitação composta tem duas arrollamientos de excitação,um em
série e um em paralelo, cujas forças magnetizantes podem ser adicionado ou sustraerse.
Caraterísticas fundamentais dos geradores de corrente contínua
As propriedades dos geradores analisam-se com ajuda das caraterísticas que estabelecem a
dependência entre as magnitudes principais que determinam o funcionamento do gerador. Tais
magnitudes são: a) a tensão nos terminais do gerador Ou; b) a corrente de excitação iex; c) a
corrente no induzido 1ou; d) a velocidade de rotação n.
Já que os geradores funcionam pelo geral com velocidade de rotação constante, o grupo
fundamental de caraterísticas obtém-se para n = const. Das demais três magnitudes, a que maior
importância tem é a tensão V, porquanto determina as qualidades do gerador respeito da rede
para a qual este funciona. Por esta razão, as caraterísticas principais são:
1. A caraterística em carga Ou = f (iex) para I =const. No caso particular quando I = 0, a
caraterística em carga passa a ser a caraterística em vazio, que tem grande importância para a
valorização do gerador e o traçado de suas caraterísticas restantes.
2. A caraterística exterior Ou=f(I) sendo constante a resistência do circuito de excitação Rex =
const.
3. A caraterística de regulação iex=f(I) para Ou=const. No caso particular quando Ou =0, a
caraterística de regulação passa a ser a caraterística em curto-circuito Ik=f(iex).
Junto das principais caraterísticas citadas existem algumas mais, designadamente as
caraterísticas a velocidade de rotação variável mas estas são de importância auxiliar.
Motores de Corrente Contínua
As máquinas de corrente contínua cumprem com o chamado princípio de reciprocidad das
máquinas elétricas, que consiste em trabalhar em dois regimes contrários.
Suponhamos que a máquina funciona em regime de gerador à rede (barras) com uma tensão
constante Ou =const e desenvolve um momento elétrico Mg. Sabemos que este momento é
decelerado com respeito do momento de rotação M1 do motor primário que põe ao gerador em
rotação.
Neste caso:
Diminuamos o f.e.m. Ea do gerador diminuindo sua velocidade de rotação ou seu fluxo
magnético. Ao diminuir suficientemente o f.e.m. Ea esta pode resultar menor que a tensão na
rede Ou. Neste caso, a corrente do induzido muda-a de signo, isto é, circulará em sentido
contrário ao inicial mas, porquanto Ou =const, o sentido da corrente iex no arrollamiento de
excitação e, portanto. A polaridad dos pólos principais não varia. Em correspondência com isto
varia o signo do momento electromagnético Mg ou seja, se antes a máquina funcionava como
gerador e, desenvolvendo um momento decelerador (frenante), transformava a potência
mecânica fornecida em potencial elétrica, agora funciona como motor elétrico e desenvolve o
momento de rotação, vencendo o momento de resistência no rotor e transforma a potência
elétrica que chega a ela em mecânica; mas segue girando na mesma direção que antes e
conserva a mesma polaridad dos pólos. Desligando o motor primário obtemos o esquema
normal de um motor de excitação em derivação.
Se mudam-se na fórmula vista anteriormente os signos de Ou e de Ea e considera-se que o
signo da corrente Ia no regime de motor é positivo, então a equação para a corrente toma a
forma:
Neste caso Ea pode ser considerada como força contraelectromotriz (f.c.e.m.) respeito da tensão
da rede Ou.
O princípio de reciprocidad da máquina elétrica, formulado por E. J. Lenz no ano 1833 e
mostrado mais acima no exemplo da máquina de excitação em derivação, estende-se tanto às
máquinas de comente contínua de outros tipos, como às máquinas de corrente alternada.
Classificação dos motores de corrente contínua
O mesmo que os geradores, os motores de corrente contínua se classificam pelo método de
conexão do arrollamiento de excitação com relacionamento ao induzido. Em correspondência
com isto existem motores:
a) de excitação em derivação.
b) de excitação em série, e
c) de excitação composta.
É bom que alguns autores experientes na matéria o classificam em dois grandes grupos.
Motores de íman permanente, entre eles:
Motores de corrente contínua sem escova.
Servomotores.
E em capacidades nominais de frações de cavalo de potência e os motores de corrente contínua
de campo devanado, os que a sua vez se classificam como:
Motor em derivação, no que o devanado do campo está ligado em paralelo com a
armadura.
Em um motor shunt, o fluxo é constante se a fonte de poder do campo é fixa. Assuma que a
voltagem de armadura Et é constante. À medida que a corrente da carga diminui desde plena
carga a sem carga, a velocidade deve aumentar proporcionalmente de maneira que a força
contra electromotriz Ec aumentará para manter a equação em balanço. A voltagem nominal e
campo completo, a velocidade do motor shunt aumentará 5% à medida que a corrente de carga
diminua de plena carga a sem carga. A reação de armadura evita que o fluxo de campo
permaneça absolutamente constante com as mudanças na corrente da carga. A reação de
armadura, portanto causa um ligeiro debilitamiento do fluxo à medida que a corrente aumenta.
Isto tende a aumentar a velocidade do motor. Isto se chama “instabilidade” e o motor se diz que
está instável.
Motor devanado em série, no que o devanado do campo está ligado em série com a
armadura.
Em uma motor série, o fluxo do campo é uma função da corrente da carga e da curva de
saturação do motor. À medida que a corrente da carga diminui desde plena carga, o fluxo
diminui e a velocidade aumenta. A ratazana de incremento de velocidade é pequena ao
princípio mas aumenta à medida que a corrente reduz-se. Para a cada motor série, há uma
mínima carga segura determinada pela máxima velocidade de operação segura.
Motor em compound, no que se tem um devanado do campo em série e outro em
paralelo.
Os motores compostos têm um campo série sobre o topo do enrolado do campo shunt como se
vê na figura. Este campo série, o qual consiste de poucas voltas de um arame grosso, é
conectado em série com a armadura e leva a corrente de armadura.
O fluxo do campo série vária diretamente à medida que a corrente de armadura vária, e é
diretamente proporcional à carga. O campo série liga-se de maneira tal que seu fluxo se
acrescenta ao fluxo do campo principal shunt. Os motores compound ligam-se normalmente
desta maneira e denominam-se como compound cumulativo.
Isto fornece uma caraterística de velocidade a qual não é tão “dura” ou plana como a do motor
shunt, não tão “suave” como uma motor série. Um motor compound tem uma limitada categoria
de debilitamiento de campo, a debilitación do campo pode resultar em exceder a máxima
velocidade segura do motor sem carga. Os motores D.C compound são algumas vezes
utilizados onde se requeira uma resposta estável de torque constante através de uma ampla
categoria de velocidade.
Motores de corrente contínua de íman permanente:
Existem motores de íman permanente (PM, permanent magnet), em tamanhos de frações de
cavalo e de números pequenos inteiros de cavalos. Têm várias vantagens com respeito aos do
tipo de campo devanado. Não se precisam as alimentações de energia elétrica para excitação
nem o devanado associa ​do. Melhora-se a confiabilidade, já que não existem bobinas
excitadoras do campo que falhem e não há probabilidade de que se apresente uma
sobrevelocidad devida a perda do campo. Melhoram-se a eficiência e o enfriamiento pela
eliminação de perda de potência em um campo excitador. Assim mesmo, a caraterística par
contra corrente se aproxima mais ao linear. Um motor de íman permanente (PM) pode ser usado
em onde se requer um motor por completo encerrado para um ciclo de serviço de excitação
contínua.
Os efeitos da temperatura dependem da classe de material que se use no íman. Os motores de
número inteiro de cavalos de potência com ímanes do tipo Álnico resultam menos afetados pela
temperatura que os que têm ímanes de cerâmica, porque o fluxo magnético é constante. Pelo
comum, os ímanes de cerâmica que se utilizam nos motores de fração de cavalo têm
caraterísticas que variam com atemperatura muito aproximadamente como variam os campos
em derivação das máquinas excitadas.
As desvantagens são a falta de controle do campo e de caraterísticas especiais velocidade-par.
As sobrecargas podem causar desmagnetización parcial que muda as caraterísticas de
velocidade e de par do motor, até que se restabelece por completo a magnetización. De modo
geral, um motor PM de número inteiro de cavalos é um pouco maior e mais caro que um motor
equivalente com devanado em derivação, mas o custo total do sistema pode ser menor.
Um motor PM é um meio-termo entre os motores de devanado compound e os devanados em
série. Tem melhor par de arranque, mas ao redor da metade da velocidade em vazio de um
motor devanado em série.
Motores de corrente contínua sem escovas
Os motores de corrente contínua sem escovas têm uma armadura estacionária e uma estrutura
rotatória do campo, exatamente em forma oposta a como estão dispostos esses elementos nos
motores convencionais de corrente direta. Esta construção aumenta a rapidez de dissipação do
calor e reduz a inércia do rotor. Ímanes permanentes fornecem o fluxo magnético para o campo.
A corrente direta para a armadura comuta-se com transistores, em vez das escovas e as delgas
do agregador dos motores convencionais de corrente direta.
É normal que as armaduras dos motores de corrente contínua sem escovas contenham de duas
a seis bobinas, enquanto as armaduras dos motores convencionais de corrente contínua contêm
de 10 a 50. Os motores sem escovas têm menos bobinas porque requerem-se duas ou quatro
transistores para comutar a cada bobina do motor. Esta disposição volta-se a cada vez mais
cara e ineficiente à medida que aumenta o número de devanados.
Os transistores que controlam a cada devanado de um motor sem escovas de corrente contínua
se ativam e desativam a ângulos específicos do rotor. Os transistores fornecem pulsos de
comente aos devanados da armadura, os quais são semelhantes aos que fornece um
comutador. A sequência de conmutación dispõe-se para produzir um fluxo magnético rotatório
no entrehierro, que permanece formando um ângulo fixo com o fluxo magnético produzido pelos
ímanes permanentes do rotor. O par produ ​cido por um motor sem escovas de corrente contínua
é diretamente proporcional à corrente da armadura.
Servomotores de corrente direta
Os servomotores de corrente contínua são motores de alto rendimento que pelo geral se usam
como motores primários em computadores, maquinaria controlada numericamente ou outras
aplicações em onde o arranque e a detenção devem ser feito com rapidez e exatidão. Os
servomotores são de importância ligeiro, e têm armaduras de baixa inércia que respondem com
rapidez às mudanças na voltagem de excitação. Ademais, a inductancia muito baixa da
armadura nestes motores dá local a uma baixa constante elétrica de tempo (o normal entre 0.05
e 1.5 mS) que agudiza ainda mais a resposta do motor aos sinais de comando. Os servomotores
incluem motores de íman permanente, circuito impresso e bobina (ou coraza) móvel. O rotor de
um motor acorazado consta de uma coraza cilíndrica de bobinas de arame de cobre ou de
alumínio. O arame gira em um campo magnético no espaço anular entre as peças polares
magnéticas e um núcleo estacionário de ferro. O campo é produzido por ímanes de fundição de
Álnico cujo eixo magnético é radial. O motor pode ter dois, quatro ou seis pólos.
A cada um destes tipos básicos tem suas próprias caraterísticas, como são a inércia, forma
física, custos, ressonância da seta, configuração desta, velocidade e peso. Ainda que estes
motores têm capacidades nominais similares de par, seus constam​tes físicas e elétricas variam
em forma considerável. A seleção de um motor pode ser tão singela como ajustar um ao espaço
do que se disponha. No entanto, de modo geral este não é o caso, já que a maior parte dos
servosistemas são muito complexos.
Motores de corrente contínua com campo devanado
A construção desta categoria de motores é praticamente idêntica à dos geradores de corrente
direta; com um pequeno ajuste, a mesma máquina de corrente contínua pode ser operado como
gerador ou como motor de corrente direta.
Os motores de corrente contínua de íman permanente têm campos alimentados por ímanes
permanentes que criam dois ou mais pólos na armadura, ao passar fluxo magnético através
dela. O fluxo magnético faz com que acha-se um par na armadura que conduz corrente. Este
fluxo permanece basicamente constante a todas as velocidades do motor: a curvas velocidade-
par e corrente-par são lineares.
Motores em derivação
É o tipo de motor de corrente contínua cuja velocidade não diminui mas que ligeiramente
quando o par aumenta.
Nos motores de corrente contínua e especialmente os de velocidade praticamente constante,
como os shunt, a variação de velocidade produzida quando funciona em carga e em vazio dá
uma base de critério para definir suas caraterísticas de funcionamento.
Excecionalmente, a reação do induzido deveria ser suficientemente grande para que a
caraterística de velocidade fosse ascendente ao aumentar a carga.
Os pólos de conmutación melhoraram a conmutación dos dinamos de tal maneira que é possível
usar um entrehierro bem mais estreito que antigamente.
Como a armadura de um motor gira em um campo magnético, se gera um f.e.m. nos motoristas
que se opõe à direção da corrente e se lhe conhece como força contraelectromotriz. O f.e.m.
aplicada deve ser bastante grande como para vencer a força contraelectromotriz e também para
enviar a corrente Ia da armadura através de Rm, a resistência do devanado da armadura e as
escovas.
Ea= Eb + IaRm Volts
A Ea = f.e.m. aplicada e Eb = força contraelectromotriz. Já que a força contraelectromotriz à
velocidade zero, isto é, no arranque, é identicamente zero e como pelo geral a resistência da
armadura é pequena, é óbvio, em vista da equação anterior, que, a não ser que se tomem
medidas para reduzir a voltagem aplicada, circulará uma corrente excessiva no motor durante
esse arranque. O normal é que se usem dispositivos de arranque que consistem em resistores
variáveis em série, para limitar a corrente de arranque dos motores.
Motor devanado em série:
É o motor cuja velocidade diminui sensivelmente quando o par aumenta e cuja velocidade em
vazio não tem limite teoricamente.
Os motores com excitação em série são aqueles nos que o indutor este ligado em série com o
induzido. O indutor tem um número relativamente pequeno de espiras de fio, que deve ser de
seção suficiente para que passe por ele a corrente de regime que requer o induzido.
Na motores série, o fluxo depende totalmente da intensidade da corrente do induzido. Se o ferro
do motor mantém-se a saturação moderada, o fluxo será quase diretamente proporcional a dita
intensidade.
5. Máquinas Especiais de Corrente Contínua
Além de existir as máquinas de corrente contínua convencionais que até agora conhecemos ou
tratamos, há também uns tipos de máquinas, que se denominam especiais por motivos de que
realizam uma função muito específica no mundo da engenharia, como por exemplo servir de
gerador de soldadura.
Nas centrais elétricas principais a energia elétrica gera-se em forma de corrente trifásica com
frequência industrial, mas há indústrias onde só pode ser trabalhado com corrente contínua (por
exemplo: na fabricação do alumínio, em alguns ramos da indústria química, etc.); em outros
casos (em #comboio laminadores, etc.) a corrente contínua é mais ventajosa que a alternada.
Para poder satisfazer as mais diferentes exigências dos mais diversos consumidores hoje em
dia existem máquinas de corrente contínua de diferentes potências; desde vários watts até
milhares de kilovatios, de tensões; desde vários volts até milhares de volts, com diferentes
velocidades de rotação e diversas caraterísticas de funcionamento. Neste livro é impossível
abranger dita quantidade de máquinas de corrente contínua.
Portanto, aqui só descreveremos algumas máquinas especiais que representam maior interesse
desde o ponto de vista teóricoe prático.
5.1 Gerador de Corrente Contínua para soldadura
A corrente em saída do gerador apresenta uma forma de onda contínua, que se obtém mediante
um dispositivo, o rectificador, colocado antes do transformador, que permite a conversão da
corrente de alternada a contínua. Esta saída é típica dos geradores por SCR e por inverter.
No caso que o circuito de soldadura esteja formado por um gerador de corrente contínua (CC)
pode ser introduzido uma ulterior classificação em função da modalidade de conexão dos pólos
da fonte de soldadura ao material a soldar:
a) conexão em polaridad direta: A conexão em polaridad direta produz-se ligando o cabo de
pinza (com pinza porta eletrodo) ao pólo negativo (-) da fonte de soldadura e o cabo de massa
(com pinza de massa) ao pólo positivo (+) da fonte. O arco elétrico concentra o calor produzido
na peça favorecendo a fusão. Desta maneira a alma do eletrodo fundindo deposita-se e penetra
na junta a soldar. 
 b) conexão em polaridad inversa. A conexão em polaridad inversa produz-se ligando o cabo
de pinza (com pinza porta eletrodo) ao pólo positivo (+) da fonte de soldadura e o cabo de
massa (com pinza de massa) ao pólo negativo (-) da fonte. O calor do arco elétrico concentra-se
sobretudo no extremo do eletrodo. A cada tipo de eletrodo precisa um tipo específico de curso
de corrente (CA ou CC) e no caso de corrente contínua uma polaridad específica: portanto, a
eleição do eletrodo está condicionada pela tipologia do gerador utilizado. Uma utilização
equivocada comporta problemas na estabilidade do arco e, em consequência, na qualidade da
soldadura.
Os geradores para soldadura devem satisfazer as seguintes exigências principais: a) suportar o
regime de curto circuito que tem local no momento quando o soldador põe em contato o eletrodo
com a peça de trabalho, b) assegurar uma intensidade de corrente mais ou menor constante
sendo a resistência do arco variável.
O cumprimento destas condições propostas consegue-se com que a caraterística exterior do
gerador para soldadura tem um caráter bruscamente decreciente. Para obter dita caraterística
utilizam-se geradores para soldadura de diferentes tipos.
5.2 Geradores de Corrente Contínua para Excitatrices
As máquinas sincrónicas e particularmente os turbogeneradores sincrónicos excitam-se com
corrente contínua. A fonte de alimentação, ou seja, o excitador, é um gerador de corrente
contínua com uma série de caraterísticas especiais.
O induzido do excitador está disposto geralmente no extremo saliente da árvore da parte
giratória do turbogenerador; nas unidades de grande potência o excitador está separado e
acoplado ao rotor do turbogenerador por médio de embraiagem.
Em ambos casos o excitador é uma máquina de grande velocidade, já que os turbogeneradores
giram a velocidades angulares de 3000 r.p.m.
Esta máquina é sensível às vibrações, funciona em condições de conmutación muito duras e
precisa ter uma ventilação intensa.
5.3 Máquinas de corrente contínua com ímanes permanentes.
A princípios da terceira década de nosso século para os ímanes permanentes acharam-se
novos materiais que são ligas do ferro com outros metais e que possuem boas propriedades
magnéticas.
O maior interesse prático representa-o o aço ao alumínio-níquel que é uma liga do ferro com o
alumínio (11-16%) e o níquel (18-24%). Em comparação com os materiais de antes (aço ao
cromo e ao tungsteno) o aço ao alumínio-níquel tem aproximadamente dez vezes maior força
coercitiva e 9-10 vezes maior energia magnética.
Os ímanes permanentes distinguem-se dos electroimanes por sua baixa permeabilidad
magnética.
O funcionamento de um gerador com ímanes permanentes pode ser comparado com o
funcionamento de um gerador com excitação independente quando iex=const. Mas neste caso
há que ter em conta que as máquinas com ímanes permanentes em determinadas condições
podem perder parcialmente sua magnetismo por causa do efeito da reação do induzido.
As máquinas de corrente contínua com ímanes permanentes praticamente só se fabricam como
máquinas de muito pouca potência como o são, por exemplo, os geradores tacométricos.
CONCLUSÕES GERAIS
Depois de finalizar nossa investigação a respeito de maquina-as elétricas e adquirir os
conhecimentos necessários sobre ela pode ser sacado as seguintes conclusões:
Com a descoberta da lei da indução electromagnética por Faraday, começa a história de
maquina-as elétricas e até meados da oitava década do século passado, representa em
essência a história do desenvolvimento da máquina de corrente contínua.
Para a construção de máquinas de correntes costumam-se utilizar materiais especiais
como são os ferromagnéticos, os motoristas de corrente elétrica para formar o devanado,
os materiais isolantes, bem como também os denominados materiais construtivos.
Que as máquinas de corrente contínua são muito utilizadas no campo do transporte, já que
estas possuem a facilidade de manter com certa facilidade a velocidade constante.
As máquinas de corrente possuem o princípio de reversibilidad, o que a faz trabalhar em
regime de motor e em regime de motor. Partindo desta realidade, estas máquinas
podemos dividí-la em dois grandes grupos, os motores de corrente contínua e os
geradores de corrente contínua.
A corrente em saída do gerador apresenta uma forma de onda contínua, que se obtém
mediante um dispositivo, o rectificador, colocado antes do transformador, que permite a
conversão da corrente de alternada a contínua.
BIBLIOGRAFIA
Kostenko, M. P., Piotrovski L. M. Maquina Elétricas. Tomo I. Editorial MIR
Chapman, Stephen. Máquinas Elétricas. 4ta. Edição.
http://www.elo.utfsm.cl/-elo383/apontamentos/lamaqdcpdf
http://prof.usb.vê/jaller/guia_maq_pdf/capitulo06.pdf
http://www.tuveras.com
Outras fontes.