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Luis PestanaLuis Pestana
Máquinas Eléctricas I
Generalidades
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
Índice
• Generalidades• Gerador de corrente
contínua– Principio de funcionamento– Fem gerada– Melhoria de forma de onda– Reacção do induzido– Comutação– Formas de excitação
• Exc. Separada, Shunt, Série, Compound
• Curvas Caracteristicas• aplicações
• Motor de corrente continua– Equações de funcionamento
• Motor Shunt• Motor Série• Motor compound• Arranque e Frenagem• Controlo de velocidade
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
DEFINIÇÕES ESSENCIAIS
• Regime: conjunto de características eléctricas e mecânicas que identificam o funcionamento de uma máquina rotativa em determinado instante.
• Regime nominal: conjunto de condições de funcionamento para as quais a máquina foi construída; – compreende a tensão, a potência útil, a classe de serviço
em que irá trabalhar, a intensidade de corrente admissível, o factor de potência, a velocidade, etc.
• Valor nominal de uma grandeza: valor numérico da grandeza quando em “Regime Nominal”.
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
DEFINIÇÕES ESSENCIAIS
• Potência nominal: é a potência que a máquina pode desenvolver, quando as restantes condições são as nominais, sem que os diversos órgãos ultrapassem os correspondentes limites de temperatura.
• Velocidade nominal: é a velocidade (r.p.m.) do motor àpotência nominal, sob tensão e frequência nominais.
• Serviço Nominal: conjunto de valores numéricos dos geradores e motores eléctricos, numa ordem de sucessão no tempo, atribuídos à máquina na placa de características e que cumprem com as condições especificadas. A duração pode ser indicada como um termo de classificação.
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DEFINIÇÕES ESSENCIAIS
• Potência absorvida: A que é entregue ao eixo nos geradores, aos bornes nos motores e aos bornes primários nos transformadores.
• Potência útil: A disponível nos bornes dos geradores, ou no eixo dos motores ou nos bornes secundários dos transformadores.
• Rendimento: relação entre a potencia útil e a potência absorvida.
η==bsorvidapotência a
tilpotência úRendimento
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
REGIMES DE SERVIREGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:
�� Regime S1: Regime contínuo
tn
Carga
PerdasElétricas
Temperatura
Tempo
θθθθ máx
CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
REGIMES DE SERVIREGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:
�� Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um período inferior ao
tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico.
tn
Tempo
θθθθ máx
Carga
PerdasElétricas
Temperatura
S2 60 min
S2 30 min
CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
REGIMES DE SERVIREGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:
�� Regime S3: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período a carga constante
e um período de repouso. O ciclo é tal que a corrente de arranque não altera
significativamente a elevação de temperatura.
S3 25% DC
S3 40% DCCarga
PerdasElétricas
Temperaturaθθθθ máx
Tempo
tn trDuração do ciclo - DC
CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO
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REGIMES DE SERVIREGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:
�� Regime S4: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período de arranque, um
período com carga constante e um período de repouso. O calor gerado no
arranque é suficientemente grande para afectar o ciclo seguinte.
S4 40% DCCarga
PerdasElétricas
Temperatura
Tempo
Duração do ciclo
θθθθ máx
td tn tr
CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO
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POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE ““ PEQUENA INPEQUENA INÉÉRCIA RCIA ““::
P1
P2
P3
P4
Pn
t1 t2 t3 t4 tn t (s)
P (cv)
n1
n2
n12
1
t.........tt.P.........t.PPeq
++++++++++++++++====
CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO
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CHAPA DE CARACTERÍSTICAS
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COMPONENTES DE UM ACCIONAMENTO
• Alimentação eléctrica• Protecção/ Comando
eléctrico• Motor• Acoplamento
mecânico• Mecanismo
impulsionadoEnergia mecânica sob a forma de movimento rotativo, caracterizado por binário e velocidade
Energia eléctrica sob a forma de tensão e corrente
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RENDIMENTO
η==bsorvidapotência a
tilpotência úRendimento
Bomba hidráulica accionada por motor eléctrico
100pP
p100
PpP
100PP
ua
a
a
u x1xx+
−=−==η
• � = rendimento expresso em Percentagem (%)
• Pa = potencia absorvida (eléctrica) em Watt (W)
• Pu = potencia útil (mecânica) em Watt (W)
• P = potencia de perdas, em Watt (W)
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BINÁRIO, POTÊNCIA E ENERGIA
[W] ��������
������������
����====��������
������������
����==== ••••
tdF
TempoTrabalhoP
J] kWh, [Wh, tPE ••••====
TRABALHO e TRABALHO e POTÊNCIA: POTÊNCIA:
T = F . bT = F . b = Força x “braço” [ Nm ]
BINBINÁÁRIO, RIO, ““TorqueTorque””, , ““ParPar”” ((CoupleCouple), ), ““ConjugadoConjugado””ou MOMENTO de 1 forou MOMENTO de 1 forçça:a:
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Temperaturasmáximas admissíveis
CLASSES DE ISOLAMENTO
• A utilização de isolantes de classe F em máquinas de classe Bdá uma margem térmica de 25ºC, permitindo operar :– em sobrecarga por curtos períodos de tempo,– a temperaturas ou altitudes superiores– com uma maior tolerância ao nível da tensão e frequência– Permite também aumentar a vida útil do isolamento
• Uma redução de 10ºC permitirá duplicar a vida útil do isolante
classe F : 155 °C classe B : 130 °C classe H : 180 °C
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COMPOSICOMPOSIÇÇÃO DA TEMPERATURA EM FUNÃO DA TEMPERATURA EM FUNÇÇÃO DA CLASSE DE ISOLAMENTO:ÃO DA CLASSE DE ISOLAMENTO:
Temperatura Ambiente ºC 40 40 40 40 40
∆∆∆∆T = Elevação de Temperatura K 60 75 80 105 125( método da resistência )
Diferença entre o ponto mais ºC 5 5 10 10 15quente e a temperatura média
Total: Temperatura do ponto ºC 105 120 130 155 180mais quente
Classe de IsolamentoClasse de Isolamento -- AA EE BB FF HH
CLASSES DE ISOLAMENTO
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FACTORES DE CORRECÇÃO
• Os motores são projectados para operar a uma Temperatura Ambiente máxima de 40ºC e uma altitude de 1000 m acima do nível médio das águas do mar.– Se o motor operar a temperaturas superiores, deve ser desclassificado
(“derated”) de acordo com a tabela acima.– Quando um motor é desclassificado, os correspondentes valores de
catálogo, tais como In,
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VIDA ÚTIL (Tempo de Vida)
• O tempo de vida dos equipamentos eléctricos– é limitado pela temperatura do isolamento
• maior a temperatura => menor Tv.– diminui para metade por cada aumento de 10ºC na temperatura.
• Ex: um motor terá um Tv de 8 anos a uma temp. de 105ºC, 4 anos a 115ºC, 2 anos a 125ºC, 1 ano a 135ºC!!!!
•Factores que contribuem para o “envelhecimento” dos isolantes:
– � calor, tempo, químicos, poeiras, etc.
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CÓDIGOS DE REFRIGERAÇÃO (MOTORES)
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FORMAS CONSTRUTIVAS NORMALIZADAS –MONTAGEM HORIZONTAL
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ÍNDICE DE PROTECÇÃO (IP)
• O Índice de Protecção IP, define a protecção da caixa do equipamento.O primeiro número define a dimensão máxima do corpo que pode penetrar na caixa, o segundo define o comportamento em relação a líquidos, e o terceiro número (raras vezes usado), a energia de impacto.
– Primeiro digito protecção contra contactos directos e entrada de corpos externos
– Segundo dígito protecção contra a penetração de líquidos: 8 - equipamento submersível, em
condições acordadas
7 - contra a imersão
6 - contra as projecções de água equivalentes a uma vaga;
6 - protecção total contra depósitos de poeira.
5 - contra as projecções de água a alta pressão em todas as direcções
5 - contra depósito de poeiras nocivas;
4 - contra as projecções de água em todas as direcções
4 - contra corpos superiores a 1 mm (ex. fios pequenos)
3 - contra a queda de gotas até 60°em relação à vertical (chuva);
3 - contra corpos superiores a 2.5 mm (ex. ferramentas, «clips», ganchos de cabelo);
2 - contra a queda de gotas até 15°em relação à vertical
2 - contra corpos superiores a 12 mm (ex. dedo da mão);
1 - contra a queda vertical de gotas de água (condensação);
1 - contra corpos superiores a 50 mm (ex. contacto involuntário da mão);
0 - não tem0 - sem protecção
2.º ALGARISMO1.º ALGARISMO
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CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DE MOTORES ELÃO DE MOTORES ELÉÉTRICOS:TRICOS:
MOTOR C.A.
MONOFÁSICO
UNIVERSAL
TRIFÁSICO
ASSÍNCRONO
SÍNCRONO
ASSÍNCRONO
GAIOLA DE ESQUILO
ROTOR BOBINADO
SPLIT - PHASE
CAP. PARTIDA
CAP. PERMANENTE
CAP. 2 VALORES
PÓLOS SOMBREADOS
REPULSÃO
RELUTÂNCIA
HISTERESE
DE GAIOLA
DE ANÉIS
IMÃ PERMANENTE
PÓLOS SALIENTES
PÓLOS LISOS
MOTOR C.C.
EXCITAÇÃO SÉRIE
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE
EXCITAÇÃO COMPOUND
IMÃ PERMANENTE
SÍNCRONO
CLASSIFICAÇÃO DE MOTORES
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
• Máquinas de corrente contínua
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GERADOR ELEMENTAR
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GERADOR ELEMENTAR
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Regra da Mão Direita
e = Blv F = Bli
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Bornes das Máquinas de Corrente Contínua
• Nomenclatura a utilizar nos enrolamentos de máquinas de corrente continua segundo a norma CEI 60034-8
E1 – E2Indutor paralelo
D1 – D2Indutor série
C1 – C2Enrolamento de compensação
B1 – B2Pólos auxiliares ou de comutação
A1 – A2Induzido
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GERADOR DC
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PRODUÇÃO DE FEM ALTERNADA
• A fem induzida é por natureza alternada, só ficando continua após rectificação
• Gerador elementar AC (alternador) consistindo numa espira no rótor e 1 par de pólos no estátor– 1 par de anéis deslizantes onde
encostam 2 escovas estacionárias permite um circuito fechado de corrente para o exterior
– Pode-se ligar uma carga entre as escovas
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Diferenças entre Dínamos e Alternadores
• Os elementos dos Dínamos e Alternadores são semelhantes e montados da mesma forma– o principio básico de operação é também o mesmo
dado que temos um enrolamento a girar no meio de um campo magnético, e que produz uma femalternada.
• As máquinas apenas diferem na forma como os enrolamentos estão ligados ao exterior– um alternador utiliza anéis deslizantes– um dínamo utiliza um comutador
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Melhoria da forma de onda
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Melhoria da forma de onda
• Ao utilizarmos 4 bobinas, desfasadas fisicamente de 90º(4 ranhuras), e dividindo o comutador em 4 segmentos, melhora-se a forma da onda produzida– A tensão varia mas nunca se anula– As 4 bobinas são idênticas
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Melhoria da forma de onda
• As bobinas A e C (e de igual modo B e D) cortam as linhas de fluxo em sentidos contrários.– As polaridades de ea e ec (eb e ed) são portanto opostas– Em todos os instantes temos:
ea+eb+ec+ed= 0 o que significa que não temos corrente de circulação no enrolamento
– A fem captada nas escovasvaria entre ea (a 0º- fig. Ante-rior) e ea+ ed (a 45º- posiçãoda figura ao lado)
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FEM Induzida (E)
• Aumentando o nºde bobinas e de laminas, a fem “E”da máquina terá uma ondulação menor (< ripple).
• A fem induzida em cada condutor “e” depende da indução B e da velocidade de rotação
– Como a densidade de fluxocortado varia de ponto paraponto, a fem E depende daposição das bobinas em cadainstante
e = Blv
Luis PestanaLuis Pestana
Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação
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Zonas Neutras• São zonas à superfície do rótor onde a Indução é nula
– Nas zonas neutras, não há fem induzida – As espiras são atravessadas por um máximo de fluxo, mas a
variação de fluxo a que estão sujeitas é nula.• As escovas, pressionam o colector, e quando em
contacto com as laminas da uma mesma bobina que passa na zona neutra:– curto-circuitam a bobina– Mas não há fem induzida na bobina
dado que não corta linhas de fluxo(nesse instante).
– Não há circulação de corrente nocurto-circuito “bobina-escovas”
B=0
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Zonas Neutras
• Se as escovas forem colo-cadas fora das zonas neutras– A fem induzida será menor– As escovas serão percorridas
por elevadas correntes de curto-circuito, causandochispas (faíscas)
• As escovas têm de ser colocadas naszonas neutras, porque:– O curto-circuito ocorre quando a
fem induzida nas espiras é nula– É nas zonas neutras que se capta + fem
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Zonas Neutras
• Em vazio– A linha neutra magnética está coincidente com a linha
neutra geométrica (a meio caminho entre os pólos)
• Em carga– A reacção do induzido desloca a linha neutra magnética.
• O deslocamento “�” é função da corrente no rótor
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Reacção do Induzido
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Reacção do Induzido
• Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação
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A REACÇÃO DO INDUZIDO
• A reacção do induzido provoca:– Saturação magnética
em certas zonas– Menor indução noutras– Em média a Indução B
é menor =>Menor feminduzida total
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EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA
• fem induzida mais forteem certas zonas deinfluência dos pólos (fluxoaditivo) do que noutras(fluxos opostos)
• A fem máxima da máquina deixade ser na linha neutra geométrica e passaa ser na linha neutra magnética
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Reacção do induzido
• Consequências– Se a máquina não está saturada (zona linear da curva de
magnetização) => A fem não se altera porque o fluxo éconstante (� = c.te)
– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada
– Elevação da tensão em laminas consecutivas do colectorjunto das zonas dos pólos em que há reforço do campo => chispas no colector
– Deslocamento da linha neutra: avanço (gerador)/ atraso (motor) => chispas no colector devido a curto-circuito de comutação
– Solução 1: deslocar as escovas da linha neutra geométrica para a linha neutra real (operação complexa – manobra correctiva)
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Formas de compensação da reacção do induzido
• Solução 2: neutralizar a reacção do induzido com enrolamentos de compensação– Condutores alojados em ranhuras nos pólos e ligados em série com o
circuito exterior– A corrente circula no enrolamento de compensação em sentido oposto ao
induzido provocando um campo de sentido oposto– Solução cara e aumenta as perdas no cobre => máquinas de elevada
potência
• Solução 3: Pólos auxiliaresde comutação– Melhoram a comutação e eliminam
o deslocamento da linha neutra– São colocados na linha neutra
geométrica e ligados em série com o induzido
– Produzem campo magnético oposto ao do induzido
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Comutação
• É a troca de polaridade das espiras (em comutação) relativamente aos terminais da máquina– Ocorre no momento em que as
escovas tocam em duas laminasconsecutivas -> espiras em curto-circuito
– Há inversão do sentido da correntenas espiras (passagem das espirasde 1 via ou caminho para a viaseguinte).
• O efeito de auto indução atrasa o processo
e provoca:– arco eléctrico (má comutação) proporcional
à corrente do induzido– Deterioração de escovas e laminas do colector
• Solução: Pólos auxiliares de comutação– Induz na espira uma fem contrária à de auto-indução
tornando a inversão da corrente + linear => não há arco
Luis PestanaLuis Pestana
Tipos de Excitação Magnética
Classificação
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Excitação de máquinas de Corrente Contínua
•Tipos de excitação
•Auto-excitação •Excitação Separada
•Fonte externa •Imanes permanentes•Shunt •Série •Compound
•aditiva
•diferencial
•Hiper-compound
•Isso-compound
•Hipo-compound
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Excitação de máquinas de Corrente Contínua
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Geradores de Excitação Separada
• Utilizam-se electroímanesem vez de imanes perma-nentes para criar o campomagnético.– É necessária uma fonte
externa de alimentação, a que se dá o nome de excitação separada ou independente (baterias ou outro gerador)
Rx – reostato de campo
E0
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• Gerador em vazio, rótor a velocidade constante• É uma medida do acoplamento magnético
entre o estátor e o rótor• Idêntica à curva de magnetização
– Histerese– Saturação magnética– Magnetismo remanescente
Geradores de Excitação Separadacaracteristica interna (ou de vazio)
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Geradores de Excitação Separada
Aplicações típicas
•Tacógrafos
•Tensão proporcional àvelocidade de rotação
•Amplificador (ampli-dínamo)
•Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo
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Característica externa
U
Queda devido à reacção do induzido �
Queda devido às resistências do induzido e de contacto das escovas com o colector
U=E-ri.I-�-2ue
E – força electromotriz induzida
U – tensão aos terminaisri – resistência do induzido
ue- queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector
� – queda de tensão devido à reacção do induzido
Excitação separada
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Gerador Shunt
Indutor em paralelo com o induzido(auto - excitação)– elimina a necessidade de fonte
externa.
Processo (cumulativo)de auto – excitação
•O fluxo remanescente induz uma pequena fem no induzido enquanto este roda
•A fem produz uma pequena corrente de excitação (Ix – na figura)•Esta, cria uma fmm e reforça o fluxo remanescente (aumenta)•O fluxo aumentado, cria + fem, e logo + corrente
•A fem cresce até estabilizar limitada pela saturação magnética e pelo valor do reóstato de campo
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Gerador Shunt
Obtém-se por regulação do reóstato de campo
Controlo da fem E0 do gerador Shunt
Controlo de Tensão
• A fem E0 em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela
resistência do circuito indutor
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Processo Cumulativo da auto - excitação
• Magnetismo remanescente• 1as correntes induzidas têm de reforçar
magnetismo remanescente– Ligações (bem efectuadas, não interrompidas)– Sentido de rotação
• Resistência de carga– Shunt (> que valor critico)– Série (< que valor critico)
CONDICONDIÇÇÕES DE ÕES DE EXCITABILIDADEEXCITABILIDADE
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Gerador Shunt
• Num gerador Shunt a tensão aos terminais “cai” mais rapidamente que num gerador de excitação separada– A corrente de excitação na
maq. de exc. Separada permanece constante e independente da carga
– A corrente de excitação numa máquina shunt é função da tensão aos terminais
– Cargas crescentes => U baixa => i excitação decresce (iexc decresce com a carga)
– Para um gerador em auto-excitação, a queda de tensão interna é cerca de 15%, num gerador de excitação separada não chega a 10% da tensão nominal
Característica externa
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Gerador Compound
• O gerador compoundé similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com autilização de um indutorsérie.– O indutor série é
composto por poucasespiras de fio grosso, dadoque vai ser percorrido pelacorrente do Induzido
– A resistência do indutorsérie é assim muito baixa
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Gerador Compound
• Em vazio, a corrente no indutor série é zero– Apenas o indutor shunt produz fmm e fluxo.
• Com o aumento de carga– A tensão aos terminais desce, mas como agora a corrente de carga atravessa o
indutor série:• Este produz + fmm e com o mesmo sentido do indutor Shunt.• O fluxo aumenta com o aumento de carga
Circuito equivalente
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Gerador Compound Diferencial
• No gerador compound diferencial, o campo criado pelo indutor série é de oposição ao do indutor shunt– Em carga, a tensão desce drasticamente,
relativamente ao valor de vazio– Aplicações típicas – soldadura– Limita a corrente de curto-circuito
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Comparação de Características
• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.
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Associação de Geradores
• Em série (para obter + tensão)• Em paralelo (para obter + corrente)
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Associação de Geradores
• O paralelo de Dínamos de tipo série é instável.– Para se poder efectuar o paralelo é necessário utilizar uma
barra de equilíbrio (compensação)• Esta barra tem de ser ligada do lado dos 2 indutores série (ver
figura à direita), de modo a que dê um reforço de corrente no indutor, em caso de falha momentanea
Paralelo de Dínamos tipo Série
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Associação de Geradores
• Internamente Estável
• Distribuição de carga– O de menor “queda interna” suporta + carga
Paralelo de Dínamos tipo Shunt
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Associação de Geradores
• A associação em paralelo de geradores de tipo compound, pela presença do indutor série, que traz instabilidade ao conjunto, necessita de barra de equilíbrio para se poder pôr a funcionar
Paralelo de Dínamos tipo Compound
Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Considerações Gerais
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
Motores de Corrente Continua
• Máquinas versáteis na conversão electromecânica de energia
• Custos de aquisição e manutenção + elevados do que máquinas equivalentes AC– Têm especial aplicação quando se requer uma
característica Binário – velocidade de qualidade superior e com elevada eficiência numa gama alargada de velocidades.
Características principais
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Motores de Corrente Continua
• Velocidade variável, no fabrico do aço e do papel, onde a capacidade de controlar a velocidade e o posicionamento são importantes
• Aplicações em tracção; ex: comboios eléctricos.– Momentaneamente operados como geradores para
frenagem eléctrica.
Aplicações principais
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas
Motores de Corrente Continua
• No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador
U > E’
E > U
(U)(E)
Luis PestanaLuis Pestana
Motores de Corrente Continua
Características mecânicas
MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas