Introdução a Máquinas de CC

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UNIDADE 3:
MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA
CONVERSÃO DA ENERGIA E MÁQUINAS ELÉTRICAS
Máquina CC Elementar:
O exemplo mais simples de máquina rotativa CC está mostrado na Figura 1. Ele consiste em uma única espira de fio girando em torno de um eixo fixo. A parte rotativa dessa máquina é denominada rotor e a parte estacionária é denominada estator. O campo magnético da máquina é alimentado pelos pólos norte e sul mostrados na Figura 1. 
A espira de fio do rotor está colocada em uma ranhura encaixada em um núcleo ferromagnético. O rotor de ferro, juntamente com a forma curvada das faces dos pólos, propicia um entreferro de ar com largura constante entre o rotor e o estator, minimizando a relutância do fluxo através da máquina (o fluxo magnético deve percorrer o caminho mais curto possível entre a face do pólo e a superfície do rotor).
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Figura 1: Uma espira simples girando entre as faces curvadas dos pólos. (a) vista em perspectiva; (b) vista das linhas de campo; (c) vista superior; (d) vista frontal.
Máquina CC Elementar:
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Tensão Induzida na Espira:
Se o rotor dessa máquina girar, uma tensão será induzida na espira de fio. Para determinar o valor e a forma da tensão, examine a Figura 1-c e 1-d. A espira de fio mostrada é retangular, com os lados ab e cd perpendiculares ao plano da página e com os lados bc e da paralelos ao plano da página. O campo magnético é constante e perpendicular à superfície do rotor em todos os pontos debaixo das faces polares e rapidamente cai a zero além das bordas dos pólos.
A tensão total induzida na espira é a soma das tensões em cada parte que forma a espira. Para isso pode-se utilizar da equação de tensão de variação de fluxo pelo velocidade. 
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Tensão Induzida na Espira:
Examinando a Figura 1-c e 1-d, nota-se que só haverá tensão induzida nos condutores ab e cd, sendo que devido ao movimento relativo entre as mesmas, as tensões terão polaridades opostas (comprove com a regra da mão direita: dedos é o campo B, palma da mão é o sentido da velocidade v e a polaridade “+” será dado pelo polegar ).
Com o campo B constante ao longo do entreferro e a velocidade imposta na espira constante:
Os lados bc e da não sofrem ação do campo, portanto a tensão induzida nesses condutores será zero.
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Tensão Induzida na Espira:
Assim a tensão induzida total na espira será:
A Figura 2 mostra como é a tensão induzida a medida que a espira gira com velocidade ω constante. Nota-se que a tensão induzida vai se aproximando de zero quando a espira está próximo de 90°. Isso pode ser explicado pelo fato que nas bordas polares o campo ir enfraquecendo até se tornar zero. 
Também a uma inversão na polaridade da tensão na espira após 180° de rotação. Isso ocorre porque as tensões induzidas relativas a cada condutor da espira (ab e cd) inverterem a sua polaridade.
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Figura 2: Tensão induzida na espira.
Tensão Induzida na Espira:
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Obtenção de uma Tensão CC na Espira:
Um das formas para se obter uma tensão CC na espira é a utilização de uma mecanismo chamado comutador. O comutador apresentando na Figura 3 é formado por dois anéis semicirculares e os contatos elétricos são feitos através de escovas. 
Os contatos fixos, realizados pelas escovas, são posicionados de tal forma que no instante em que a tensão na espira é zero, os contatos põem em curto-circuito os dois segmentos (plano neutro da máquina CC). 
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Figura 3: Tensão induzida na espira.
Obtenção de uma Tensão CC na Espira:
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Obtenção de uma Tensão CC na Espira:
Desse modo, sempre que a tensão na espira muda de sentido, os contatos também mudam de segmento e a saída de tensão dos contatos sempre tem a mesma forma de onda (Figura 4). 
Esse processo de troca de conexões é conhecido como “comutação”. Os segmentos semicirculares rotativos são denominados “segmentos comutadores” ou “anel comutador”, e os contatos fixos são denominados “escovas”.
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Figura 4: Tensão induzida na espira com o comutador e escovas.
Obtenção de uma Tensão CC na Espira:
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Geração de Conjugado na Espira:
Suponha que uma bateria seja conectada à máquina da Figura 5. Quanto conjugado será produzido na espira quando a chave for fechada e uma corrente circular nela? 
Para determinar o conjugado, examine a espira detalhadamente como está mostrado na Figura 6. A abordagem a ser adotada para determinar o conjugado sobre a espira é a de examinar um segmento de cada vez e depois somar os efeitos de todos os segmentos individuais. A força que atua sobre um dado segmento da espira é dada pela equação:
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Geração de Conjugado na Espira:
Figura 5: Produção de conjugado em uma espira alimentada em CC.
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Geração de Conjugado na Espira:
Figura 6: Análise das forças magnéticas nos condutores para a produção de conjugado em uma espira alimentada em CC.
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Geração de Conjugado na Espira:
Como no caso da tensão, a geração de conjugado só ocorrerá nos lados ab e cd da espira que cortam o fluxo B. O fluxo “B” e a espira “l” estão em um ângulo de 90°, exceto na linha de comutação (neutra).
Usando a regra do “Tapa” ou de “Bio-Savart” tem-se o surgimento das forças de origem magnética nos lados ab e cd da espira, com direção conforme mostrados na Figura 6.
O produto das forças “Fab e Fcd” pelo raio “r” da espira da origem ao conjugado. Como as forças produzem momentos (conjugados) no mesmo sentido (anti-horário), a espira irá girar sobre o seu eixo.
Assim o conjugado total produzido pela espira será: 
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3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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Geração de Conjugado na Espira:
Figura 7.6: Exemplo 7.1.
3.1- Fundamentos de Máquinas CC
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OBRIGADO PELA ATENÇÃO!
Prof. Armando Souza Guedes
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