Baixe Apostila MCC e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 1 Apostila 8 Máquina de Corrente Contínua A máquina CC 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 e L B + _ u Figura 1 - Princípio de funcionamento das máquinas elétricas Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 2 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 B L u= ⋅ ⋅ (1) 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 N S e L B i + _ u N S u B Figura 2 - Princípio de indução aplicado ao gerador de tensão Apostila Máquina CC - 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 CC). Na máquina CC 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 xxx ω 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. Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 6 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 CC 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 xxx ω + _ 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 CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 7 mostrada na figura 4. Dado que máquina CC 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 xxx ω + _ 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 CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 10 • Comutador : é constituido de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua. • Eixo : é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada. A figura 9 mostra um esquema dos principais enrolamentos das máquinas CC usuais. Deve- se notar que apenas o enrolamento da armadura e de campo são obrigatórios, os demais dependem das características que a máquina deve apresentar para a aplicação em questão. A B C D E A - armadura B - comutação C - compensação D - campo auxiliar E - campo principal Enrolamentos :+ _ + _ Figura 9 - Esquema geral de conexão dos enrolamentos da máquna de corrente contínua Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 11 3. Principais Conexões dos Enrolamentos dos Motores CC As características de potência, velocidade e torque da máquina CC estão intimamente ligadas à forma de conexão dos enrolamentos de campo e armadura. Assim, para cada aplicação específica deve-se conectar a máquina de uma certa forma. As três conexões básicas de uma máquina CC são apresentadas e discutidas abaixo. A E + _ + _ Enrolamentos : A - armadura E - campo principal Va Vc Torque Rotação controle da armadura controle do campo Figura 10 - Esquema de conexão para excitação independente A E + _ Enrolamentos : A - armadura E - campo principal Va Torque Rotação Figura 11 - Esquema de conexão para excitação série Apostila Máquina CC - Prof. Luís Alberto Pereira - PUCRS-DEE 12 3.1 Excitação Independente Neste tipo de conexão tanto o enrolamento da armadura como o do estator são ligados à fontes de tensão indepentes uma da outra. A figura 10 ilustra este caso, sendo que somente os enrolamentos da armadura e de excitação são mostrados. Neste tipo de conexão a velocidade da máquina pode ser ajustada tanto pelo ajuste da tensão da armadura como pela tensão de campo. A característica torque versus velocidade é igualmente ilustrada na figura 10. Esta conexão é utilizada no acionamento de bombas, compressores, tornos, bobinadeiras, máquinas têxteis, etc... 3.2 Excitaçaõ em Derivação Este é um caso particular em que o enrolamento de campo é ligado em paralelo com a tensão de armadura, ou seja Va=Vc. A característica de torque versus velocidade é semelhante àquela do motor com excitação independente, mostrada na figura 10. A E + _ Enrolamentos : A - armadura E - campo principal Va Torque Rotação _ + Vc Figura 12 - Esquema de conexão para excitação mista (composta)