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Máquina de Corrente Contínua

A máquina C é um dos 3 tipos básicos de máquinas elétricas (existem ainda máquinas síncronas e máquinas de indução) que tem sido largamente usada na indústria, principalmente quando se necessita de variação de velocidade, uma vez que ela é capaz de fornecer torque numa ampla faixa de velocidades. A sua importância vem diminuindo nos últimos anos devido ao fato de que máquinas de indução e máquinas síncronas alimentadas por conversores estáticos permitirem igualmente variação de velocidade bastante de forma muito eficiente. Neste capítulo é feita uma introdução sobre o princípio de funcionamento e principais características da máquina de corrente contínua.

1. Princípio de Funcionamento das Máquinas Elétricas

N S u B

N S eL

_u Figura 1 - Princípio de funcionamento das máquinas elétricas

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Todas as máquinas elétricas funcionam segundo o princípio da indução eletromagnética, o qual se encontra ilustrado na figura 1. De acordo com este princípio, em todo condutor elétrico que se movimenta com uma dada velocidade dentro de um campo magnético surge uma tensão entre os seus terminais. A tensão obtida por meio deste fenômeno é chamada de tensão induzida, a qual é dada pela seguinte expressão:

e - tensão induzida (Volts) B - indução magnética do campo (Tesla) L - comprimento do condutor (m) u - velocidade do campo na direção perpendicular ao campo magnético (m/s)

1.1 Princípio de Funcionamento Aplicado ao Gerador de Tensão

NS e L

N S u B

Figura 2 - Princípio de indução aplicado ao gerador de tensão

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O condutor analisado anteriormente, quando ligado a uma carga, faz com que circule uma corrente pela mesma, conforme mostra a figura 2. O esquema na figura 2 representa, assim, um gerador elétrico elementar, cujo princípio pode ser resumido da seguinte forma:

• a máquina primária força o condutor a se movimentar no campo magnético exercendo sobre este uma força e transferindo ao mesmo uma determinada energia mecânica;

• O movimento do condutor faz com que uma tensão apareça entre os seus terminais a qual é dada pela equação (1);

• ao ser conectada a uma carga circula uma corrente no condutor e pela carga. A potência mecânica transferida ao condutor é transferida ao circuito elétrico.

1.2 Princípio de Funcionamento Aplicado ao Motor Elétrico

Também de acordo com o princípio de indução, verifica-se que todo condutor percorrido por corrente e imerso num campo magnético sofre a ação de uma força, a qual é dada pela relação.

x i

Figura 3 - Princípio de indução aplicado ao motor elétrico

Apostila Máquina C - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 4 FBLi=⋅⋅ (2)

B - indução magnética do campo (Tesla) L - comprimento do condutor (m) i - corrente no condutor (A) F - força sobre o condutor na direção perpendicular ao campo magnético (Newton)

Desta forma, se no arranjo da figura 1 os terminais do condutor forem ligados a uma fonte de tensão de amplitude maior que a tensão gerada, haverá uma corrente circulando no condutor de sentido contrário ao caso anterior. Como o condutor se encontra no campo

x x x x ωt e(t)

Figura 4 - Tensão induzida numa espira do enrolamento do induzido sem comutador.

Apostila Máquina C - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 5 magnético pode-se medir uma força F que atua ao longo do condutor, como ilustrado na figura 3.

1.3 Princípio de Funcionamento da Máquina de Corrente Contínua

Os princípios explicados anteriormente são explorados de uma forma particular nos três tipos básicos de máquinas elétricas (síncronas, de indução e máquina C).

Na máquina C o campo magnético é criado por um conjunto de pólos, os quais são dispostos ao longo da periferia da parte externa fixa, chamada de estator (figura 4). Os pólos norte e sul são dispostos de forma alternada. O enrolamento que alimenta os pólos e que gera o campo magnético é chamado de enrolamento de campo. Este enrolamento é alimentado a partir de uma fonte de corrente contínua, produzindo assim um campo magnético constante ao longo do tempo, como ilustra a figura (4).

x x x x escova + ωt e(t)

Figura 5 - Tensão induzida numa espira, enrolamento elementar composto de uma espira, rotor provido de um comutador elementar com 2 lamelas.

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Os condutores em que a tensão é induzida não são condutores isolados, como ilustrados nas figuras 1, 2 e 3, mas sim espiras, as quais são conectadas umas às outras de forma a formarem um enrolamento fechado (figura 4). Este enrolamento está montado sobre uma estrutura cilíndrica que gira, por este motivo chamada de rotor. Este enrolamento é chamado de enrolamento da armadura, ou ainda de induzido. Assim, a máquina C constitui-se de duas partes fundamentais:

• estator, onde o enrolamento de campo é alojado;

• rotor, onde o enrolamento induzido é alojado.

A forma de funcionamento pode ser melhor entendida analisando-se inicialmente uma máquina elementar composta de uma espira que gira no campo magnético criado por dois pólos, como ilustrado na figura 4. Como a espira percorre alternadamente um pólo positivo e um negativo (norte e sul) surge nos seus terminais uma tensão do tipos alternada,

x x x x ωt e(t)

Figura 6 - Tensão induzida numa espira, enrolamento elementar composto de uma espira, rotor provido de um comutador elementar com 2 lamelas.

Apostila Máquina C - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 7 mostrada na figura 4.

Dado que máquina C se deseja obter uma tensão do tipo contínua, é necessário que as conexões da espira com o circuito externo na figura 5 sejam invertida a cada meio período de rotação da espira. Isto é feito por meio de um comutador mecânico. A figura 5 ilustra o princípio de um comutador elementar, composto de apenas duas lâminas (lamelas), que conectam os terminais da espira ao circuito externo. Este arrranjo é obtido da figura 4 acrescentado-se um comutador. A conexão da enrolamento da armadura passa a ser feita por meio de escovas que permanecem fixas sobre o comutador, que gira solidário com a armadura.

Assim, a ação do comutador faz com que a tensão nos terminais possua sempre a mesma polaridade. Usando-se apenas uma espira existe uma variação bastante acentuada na tensão induzida gerada; aumentando-se o número de espiras que giram no campo obtém-se uma tensão mais uniforme. A figura 6 mostra o caso onde existem 2 espiras girando no x x x x ωt e(t)

Figura 7 - Tensão resultante induzida em duas espiras em série, enrolamento elementar, rotor provido de um comutador com 4 lamelas.

Apostila Máquina C - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 8 campo; o comutador possui neste caso 4 lamelas. Verifica-se que a tensão induzida está mais próxima de uma tensão contínua que no caso anterior.

Numa máquina real existe um grande número de espiras ligadas em série, de tal forma que a tensão é virtualmente uma tensão contínua. O comutador possui também um número muito grande de lamelas. A figura 7 ilustra o caso em que o número de espiras ligadas em série é bastante grande. O número de lamelas necessárias no comutador também é bastante grande.

As máquinas C possuem assim, um terceiro componente básico chamado de comutador, cuja ação transforma a tensão alternada induzida em uma tensão contínua. O comutador está montado numa das extermidades da armadura e gira solidário com esta.

Sobre o comutador são montadas as escovas que permanecem fixas em relação ao estator. Elas são o elemento de conexão entre o circuito externo e o enrolamento da armadura.

2. Principais Partes Construtivas de uma Máquina C A seguir é feita uma descrição breve das principais partes construtivas de uma máquina x x

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