características básicas das máquinas de corrente contínua ... · variedade de características...
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Características Básicas das Máquinas de CorrenteContínua
(Roteiro No. 6)
Universidade Federal de Juiz de ForaDepartamento de Energia Elétrica
Juiz de Fora, MG36036-900 Brasil
2018
(UFJF) Lab. Maq. I 2018 1 / 44
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Introdução
As máquinas CC se caracterizam por sua versatilidade;
Seus enrolamentos de campo podem ser do tipo: excitaçãoindependente, em derivação (shunt) e série, ou uma combinaçãodessas duas últimas;
Podem ser projetadas de modo a apresentar uma amplavariedade de características de tensão versus corrente(geradores CC) ou de velocidade versus torque (motores CC)para operação dinâmica e em regime permanente.
Devido à facilidade que estas podem ser controladas, os motoresCC foram muito utilizados no passado em aplicações onde eranecessária uma ampla faixa de variação velocidade.
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Objetivos
Os objetivos desse módulo são:i. Permitir ao aluno ter contato com motores e geradores em
corrente contínua;ii. Discutir as principais características destas máquinas;iii. Apresentar de forma generalizada os testes que podem ser feitos
para identificar os terminais dos circuitos de armadura e decampo.
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Características básicas
A tensão induzida nos condutores da armadura (parte rotativa) écoletada por meio de um comutador rotativo e escovas de carvãoestacionárias.
aSN
I F
Φ E
(a)
358 CHAPTER 7 DC Machines
Onnclrnhlro
Direct Brushes axis Field
ield oil
Armature
coils (a) (b)
Figure 7.1 Schematic representations of a dc machine.
because this is the position of the coils to which they are connected. The armature-mmf wave then is along the brush axis, as shown. (The geometric position of the brushes in an actual machine is approximately 90 electrical degrees from their position in the schematic diagram because of the shape of the end connections to the commutator. For example, see Fig. 7.7.) For simplicity, the circuit representation usually will be drawn as in Fig. 7.1 b.
Although the magnetic torque and the speed voltage appearing at the brushes are somewhat dependent on the spatial waveform of the flux distribution, for convenience we continue to assume a sinusoidal flux-density wave in the air gap as was done in Chapter 4. The torque can then be found from the magnetic field viewpoint of Section 4.7.2.
The electromagnetic torque Tmech can be expressed in terms of the interaction of the direct-axis air-gap flux per pole ~d and the space-fundamental component Fal of the armature-mmf wave, in a form similar to Eq. 4.81. With the brushes in the quadrature axis, the angle between these fields is 90 electrical degrees, and its sine equals unity. Substitution in Eq. 4.81 then gives
7r ( p ° l e s ) 2 Tmech -- ~- 2 ~d Fal (7.1)
in which the minus sign has been dropped because the positive direction of the torque can be determined from physical reasoning. The peak value of the sawtooth armature- mmf wave is given by Eq. 4.9, and its space fundamental Fal is 8/zr 2 times its peak. Substitution in Eq. 7.1 then gives
Tmech'-(p°lesCa) ~dia-Kadpdia2rrm (7.2)
(b)
Figura 1: (a) seção reta de uma máquina de dois polos, (b) circuito equivalente.
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Processo de comutação
Comutador e escovas formam um retificador mecânico rotativoque converte a tensão da armadura em corrente contínua;
ω
eind
N S
dois segmentosComutador de
estacionáriasEscovas
− +
Figura 2: Representação do comutador de dois segmentos
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Processo de comutação
As escovas de carvão são posicionadas de maneira que acomutação ocorra quando os lados da bobina estão na zona ouplano magnético neutro.
Figura 3: funcionamento do comutador de dois segmentos.
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Escovas e comutador
Figura 4: Detalhe da escova e do comutador da máquina CC.
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Escovas e comutador
Figura 5: Detalhe da escova e do comutador da máquina CC.
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Geradores e motores em CC
A tensão interna gerada e o conjugado (torque) eletromagnéticodesenvolvidos nos geradores e motores são dados por:
Ea = Ke�!m (1)
⌧ele = Kt�Ia (2)
Onde Ke é uma constante eletromecânica, Kt é uma torque deconjugado, !m é a velocidade mecânica da máquina CC e Ia é acorrente de armadura.
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Tipos de geradores CC
De acordo como os circuitos de armadura e campo sãoconectados pode-se ter geradores e motores com diferentescaracterísticas terminais:
NF
R FI F
VF
R AI L
E A Vt
I A
+++
ïï ï
Figura 6: Excitação independente.
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Tipos de geradores CC
NF
R F
VF
R A
E A Vt
I F I A I L
+++
ïï ï
Figura 7: Excitação em derivação.
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Tipos de geradores CC
RA
E A Vt
I A
NS
I L
I S+
+
ï
ï
Figura 8: Excitação série.
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Tipos de geradores CC
−
A
E A
NS
VtNF
I F+
−
+
R
Figura 9: Excitação composta.
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Reação de armadura
A reação da armadura distorce o fluxo magnético principal damáquina (�f ), devido a circulação da corrente de carga pela armadura,sendo responsável por:
Deslocar do plano magnético neutro (PMN);Enfraquecer do fluxo principal da máquina.
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Reação de armadura
O plano magnético neutro da máquina:
ω
PMN
φ f φ fφ f
Figura 10: Campo principal e PNM sem carga.
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Reação de armadura
I
I
φa
φa
φa
(a)
ω
I
IPMN’
φR
φR
φR
(b)
Figura 11: Representação da reação da armadura: (a) campo da armadura; (b) deslocamentodo plano magnético neutro.
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Gerador CC com excitação independente
I F
VF E A
R A
Vt
R CR II AVesc I L
NF
R F
R aj
++
ïï
+
ï
+ ï 6
CA
RG
A
Circuito de campo:8<
:
Vf = (Raj + Rf ) If
FF = Nf If
Circuito de armadura:8>><
>>:
Ia = IL
Vt = Ea � (Ra + Ri + Rc) Ia ��Vesc
Ea = k�!
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Característica de magnetização:
aSN
I F
Φ E
8<
:
Ea / �
8 ! constante.
(constante)ω
Φ
If (A)
(constante)t
vazio Ea = Vt
If (A)
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t1
t3
t2
vazio Ea = Vt
If (A)If = cte
!1 < !2 < !3
Para If = cte ) � = cte:8<
:
p/! = !1 ! Ea1 = k�0!1
p/! = !2 ! Ea2 = k�0!2
De onde tira-se:
Ea1
Ea2
=k�0!1
k�0!2
Que finalmente pode serescrito:
Ea1
Ea2
=!1
!2
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Característica terminal:
Hipóteses iniciais:1 Gerador CC opera com
velocidade (!) e fluxo (�)constantes;
2 Quedas de tensão em Rie Rc são desprezíveis.
Ia = IL
e,
Vt = Ea � (RaIL) "
VT1
EA
VT
I A1
R A I A
I =L I A
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Contudo a REAÇÃO DA ARMADURA enfraquece o fluxo polar;O enfraquecimento de � diminui a amplitude da tensão induzidaEa.
Vt = Ea # � (RaIL) "
VT1
EA
VT
I A1
R A I A
I =L I A
reacao daarmadura
,~
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Gerador CC shunt:
VF E A
R A
NF
R F
I LI A
Vt
R ajI F
++
ïï
+
ï
CAR
GA
Circuito de campo:8>>>><
>>>>:
Vf = Vt
Vt = (Raj + Rf ) If
FF = Nf If
Circuito de armadura:8>>>><
>>>>:
Ia = IL + If
Vt = Ea � RaIa
Ea = k�!(UFJF) Lab. Maq. I 2018 22 / 44
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O processo de autoexcitação:
t 1
vazio
circuito decampo
circuitodaarmadura (Ea)
Ea RESIDUAL
Ea = Vt
If (A)
A tensão de operação avazio é obtida resolvendo osistema:
8<
:
Vt = (Raj + Rf ) If
Vt = Ea � RaIa
ou,
8<
:
Vt = (Raj + Rf ) If
Ea = Vt + RaIa
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Motivos que impedem a autoexcitação do gerador shunt:1 Ausência de magnetismo residual (Eares = 0);2 Circuito de campo aberto (If = 0);3 Circuito de armadura aberto ou mau contato entre as escovas
(�Vesc = Eares )4 Resistência de campo (Rf ) maior que o valor crítico (Rfcritico
).
t 1
Rf 1
Rf 2
Rf 3Rf C
Rf 4
Ea RESIDUAL
If (A)
Vt
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A velocidade de rotação do gerador shunt também podeinfluenciar sua auto-excitação. A figura abaixo mostra como acurva característica e a resistência crítica variam com !.
t 1
Rfc 3
Rfc 2Rfc 1 Rf
t 2
t 3
Ea RESIDUAL
If (A)
Vt
!1 > !2 > !3
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Característica terminal:
A característica terminal do gerador shunt é influenciada pela atensão de terminal que é a própria mesma tensão usada naalimentação do campo.
1 A medida que a carga consome corrente mais corrente (IL) acorrente de armadura do gerador (Ia) também aumenta;
2 O efeito da REAÇÃO da ARMADURA e a queda de tensão em RaIareduzem a tensão terminal Vt do gerador;
3 A diminuição da tensão terminal Vt por sua vez enfraquece o fluxoda máquina devido a redução de If .
Ia "= IL "
Vt #= Ea # � (RaIL) "
If #=Vt #
(Raj + Rf )
Desse modo Ea diminui devido à reação da armadura e devido àdiminuição de If .
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VT1
EA
VT
I A1
R A I A
I =L I A
reacao daarmadura
,~
diminuicao dacorrente If
~,
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Gerador CC série:
E A
I A NFR FR A
Vt
I LI S
+
ï
CAR
GA
+
ï
Camposerie´
Circuito de campo:8<
:
Is = Ia = IL
Fs = NsIs
Circuito de armadura:8<
:
Vt = Ea � (Ra + Rs) Ia
Ea = k�!
FRES = NsIs � FAR
onde FAR é a força magnetomotriz de reação da armadura.(UFJF) Lab. Maq. I 2018 28 / 44
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Característica terminal:
t 1
Ea RESIDUAL
(Ra + Rs) Is
Area deoperacaodo geradorserie´
,´
~
Vt
IL (A)
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Gerador CC composto:
E A
I A R AI S
Vt
I L
CA
RGA
+
ï N
FR
F
R S NS
I F
+
ï
Camposerie´
Camposhunt
(composto longo)
Circuito de campo:8>>>><
>>>>:
Vf = VtVt = (Raj + Rf ) IfFf = Nf IfFs = NsIsFRES = Nf If ± NsIs � FAR
Circuito de armadura:8>><
>>:
Ia = IL + IfIa = IsVt = Ea � (Ra + Rs) IaEa = k�!
(UFJF) Lab. Maq. I 2018 30 / 44
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I S
Vt
I L
CA
RGA
+
ï
R S NS
NF
RF
Camposhunt
+I A
R A
E A
I F
Camposerie´
ï ï
(composto curto)
Circuito de campo:8>>>><
>>>>:
Vf = Vt � RaIaVt = (Raj + Rf ) IfFf = Nf IfFs = NsIsFRES = Nf If ± NsIs � FAR
Circuito de armadura:8>><
>>:
Ia = IL + IfIL = IsVt = Ea � RaIa � RsILEa = k�!
(UFJF) Lab. Maq. I 2018 31 / 44
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Característica terminal de geradores CC
Shunt
A
VT
I N I L
Composto diferencial
HIPERcomposto
Composto PLANO (normal)
HIPOcomposto
E
Figura 12: Características terminal de geradores CC: tensão versus corrente.
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Motores de Corrente Contínua
CARGA
F
R F
I F
VF
R A
I L
E AVt
I A
T mec
T ele
mecω
++
+
−
−−
N
Máquina CC operando como MOTOR:1 Inicialmente a máquina se encontra em repouso (!m = 0);2 Alimenta-se o circuito de campo da máquina (� 6= 0);3 Alimenta-se o circuito de armadura a partir de uma fonte de tensão
independente:
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Motor CC com excitação independente
FO
NT
E
F
VF E A
R A
Vt
R CR II AVesc I L
NF
R aj
+−
R F ++
−
−
+
−
∆I
Circuito de campo:8<
:
Vf = (Raj + Rf ) If
Fmm = Nf If
Circuito de armadura:8>><
>>:
Ia = ILVt = Ea + (Ra + Ri + Rc) Ia +�VescEa = ke�!m⌧ele = kt�Ia
(UFJF) Lab. Maq. I 2018 34 / 44
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Motor CC Shunt
FO
NT
E
A
R A
Vt
R II AVesc I L
+−
NF
I F
(R + R ) F aj+
−
+
−
∆
E
Circuito de campo:8<
:
Vt = Vf = (Raj + Rf ) If
Fmm = Nf If
Circuito de armadura:8>><
>>:
Ia = IL � IfVt = Ea + (Ra + Ri) Ia +�VescEa = ke�!m⌧ele = kt�Ia
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Característica terminal do motor shunt
Desprezando as perdas:
⌧ele = (⌧carga + ⌧perdas) ⇡ ⌧carga (3)
Desprezando as quedas de tensão (escovas e enrolamento deinterpolo):
Vt = Ea + RaIa (4)Ea = ke�!m (5)⌧ele = kt�Ia (6)
Substituindo (6) e (5) em (4) tem-se:
!m =Vt
k�� Ra
(k�)2 ⌧ele (7)
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Curva característica
2
kVT
ω m
Ra
φ)(k
τ eleτ carga
φ
⇢! (%) =
�!vazio � !plena carga
�
!plena carga
⇥ 100% (8)
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A REAÇÃO DA ARMADURA enfraquece o fluxo polar;O enfraquecimento de � diminui a amplitude da tensão induzidaEa forçando o aumento da corrente Ia, do torque ⌧ele econsequentemente da velocidade do motor
Sem RA
kVT
ω m
Ra
φ)(k
τ eleτ carga
2
Com RAφ
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Controle de velocidade de Motores Shunt
Da observação de
!m =Vt
k�� Ra
(k�)2 ⌧ele
Tem-se três estratégias básicas de controle para a velocidade domotor CC.
1 Variação do fluxo magnético (�) produzido no campo através doajuste da resistência (Raj);
2 Variação da tensão de alimentação da armadura (Va);3 Conexão de uma resistência adicional em série com o circuito da
armadura (Rad);
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Variação do fluxo magnético (�):
−
A
R F
NF
I F
Vt
+
I L
R A
E A
−
+
I
m
τ eleτ carga
RF1
RF2
ω m1
ω m2 RF1R >F2
ω
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Variação da tensão de armadura (Va):
CC
−C
C
A
R F
NF
I F
Vt
+
I L
E A
R A
VA
−
+
−
CO
NV
ER
SO
R
I
2
m
Ra
φ)(k
τ eleτ carga
φk
φk
φk
φk
VA1
VA2
VA3
VA4
ω
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Variação da resistência de armadura (Rad):
−
A
R F
NF
I F
Vt
+
I L
R A
E A
R ad
−
+
I
m
τ eleτ carga
ω m
Ra
Ra1
Ra2
Ra3
Ra3R <a R <a1 R <a2
ω
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Característica terminal de motores CC
Serie
eleτ nom
ω mec
ω 0
Composto
Shunt
τ
Figura 13: Características terminal de motores CC: torque versus velocidade.
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Ensaios
1 Ensaio a vazio: ) usado para determinar as perdas rotacionaisdo motor
Perdas rotacionais = Eavaz Iavaz
2 Ensaio de rotor bloqueado: ) usado para determinar aresistência da armadura
Ra =Vt ��Vesc
Ianom
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