Fundamentos das máquinas CC:
Com excessão da máquina homopolar a conversão
eletromecânica de energia elétrica em mecânica e
vice-versa se processa através de grandezas
alternadas;
A retificação das grandezas alternadas, geradas no
interior da máquina, para contínuas é feita pelo
comutador ;
Desvantagens:
Projeto complexo;
Custo inicial mais elevado;
Necessidade de manutenção mais freqüente.
Vantagens: Simples de serem controladas.
Simples de serem controladas.
– p. 1/38
Espira girante em um campo uniforme:
B
ω
b
r
N
c
a
+
e bob
d
S
l
−
considerando que a bobina acima tem N espiras
pode-se escrever que:
eind
dφb
= −N
dt
– p. 2/38
ω
v =ω r
r
N
θ
S
r
B
v =ω r
φb = B · Aef etiva = B · Aespira cos θ = B · (2rl) cos θ
Portanto,
eind
d (2Brlθ)
= −N
dt
→ eind = Emáx sin ωt
onde,
Emáx = 2N Brlω
– p. 3/38
Como pode observar pela expressão anterior a tensão
induzida na espira elementar é senoidal (SENOIDAL).
eind
2vBl
0
360
720
θ
− 2vBl
– p. 4/38
Para uma máquina com as faces polares mais curvas
a tensão induzida fica achatada conforme mostrado na
figura abaixo.
eind
2vBl
vBl
θ
0
−vBl
− 2vBl
360
720
– p. 5/38
A tensão alternada gerada na bobina pode ser
coletada a partir de escovas estacionárias de carvão,
grafite ou ligas metal-grafite em contato com dois
anéis coletores.
ω
S
N
e ind
– p. 6/38
O processo de comutação
O processo de comutação é uma parte crítica do
projeto e da operação das máquinas CC.
Os terminais da bobina são ligados a dois segmentos
de anéis de cobre isolados entre si e solidários ao
campo girante.
A medida que o eixo (rotor ) gira tem-se um processo
de retificação da tensão alternada gerada da bobina.
A COMUTAÇÃO é a inversão da ligação dos lados da
bobina girante nas escovas de carvão. Esse processo
acontece quando a tensão induzida nos dois lados da
bobina são iguais.
Neste esquema deve-se ter dois segmentos de
comutator para cada bobina.
– p. 7/38
– p. 8/38
– p. 9/38
Para duas bobinas defasadas no rotor de um ângulo
mecânico de 90o
ω
b´
a
N
S
a´
b
−
+
eind
– p. 10/38
A tensão induzida em cada bobina é defasada de 90o
da bobina adjacente. Logo podemos escrever:
(
eaa′ = Emáx sin (ωt)
ebb′ = Emáx sin (ωt − 90o )
Que depois de retificada pelo COMUTADOR fica:
(
eaa′ = |Emáx sin (ωt)|
ebb′ = |Emáx sin (ωt − 90o )|
– p. 11/38
E max
eind
eaa´
ebb´
t
90 o
−Emax
~ retificadas
tensoes
Emax
eaa´
ebb´
o
eind
90
t
~ nas escovas
tensao
Emax
90 o
t
– p. 12/38
Vantagens:
A tensão resultante nos terminais das escovas é
mais plana;
Introduzindo mais espiras, igualmente defasadas
uma das outras, a tensão final tende a um valor
constante igual a Emáx
Desvantagens:
Processo não eficiente de comutação → a tensão
resultante em cada bobina é usada externamente
apenas parte do ciclo;
No exemplo para duas bobinas defasadas de 90o
cada uma é usada apenas 180o , ou seja, metada
do ciclo.
– p. 13/38
Uma alternativa mais eficiente de conexão das
bobinas é a ligação das bobinas em SÉRIE.
Existem diversas formas de ligação das bobinas entre
si e ao comutator sendo as principais:
Enrolamento em anel de Gramme ⇒ Não utilizado
na prática.
Enrolamento em tambor:
Enrolamento Embricado (do inglês, lap winding);
Enrolamento Ondulado (do inglês, wave
winding);
Enrolamento Auto equalizado ou "Perna de
Sapo"(do inglês, frog leg winding).
– p. 14/38
Enrolamento em anel de Gramme
Abaixo está mostrado a estrutura do enrolamento de
uma máquina CC em anel de Gramme.
As espiras são enroladas em torno do núcleo até que o
final do enrolamento se fecha com o início do mesmo.
– p. 15/38
As espiras ou conjunto de espiras são ligadas aos
segmentos do comutador conforme mostrado abaixo.
– p. 16/38
A figura abaixo mostra um circuito equivalente para o
enrolamento em anel de Gramme.
+
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
−
Condutores sobre o´polo SUL
Condutores sobre o´polo noRTe
~
escova de carvao
eind
Emax
~ por caminho
tensao
~ por espira
tensao
t
~
uma rotacao
, da armadura
~
escova de carvao
– p. 17/38
Principal desvantagem ⇒ metade dos condutores de
cobre não é ativo na geração de tensão (NÃO
CORTAM LINHAS DE FLUXO MAGNÉTICO).
– p. 18/38
Enrolamento em TAMBOR
Principal vantagem ⇛ todos os lados das bobinas são
ativos (i.e. CORTAM LINHAS DE FLUXO
MAGNÉTICO).
– p. 19/38
Enrolamento IMBRICADO
N
S
– p. 20/38
Enrolamento ONDULADO
N
S
– p. 21/38
Enrolamento AUTO EQUALIZADO
N
S
– p. 22/38
Enrolamento Duplex e Triplex
– p. 23/38
Enrolamento Progessivo e Regressivo
– p. 24/38
Comutação em máquinas de 4 espiras
As figuras a seguir mostram uma máquina com
enrolamento em tambor com quatro espiras.
– p. 25/38
– p. 26/38
A tensão resultante tem a seguinte forma.
– p. 27/38
Reação da armadura
É um fenômeno que ocorre quando a máquina CC
alimenta uma carga conectada em seus terminais.
– p. 28/38
A Reação da Armadura pode ser explicada pela
distorção do fluxo principal, produzido nos pólos da
máquina CC, pelo fluxo produzido pela corrente de
carga que circula pela armadura (ROTOR) da máquina
CC.
Problemas provocados:
1. Deslocamento do plano magnético neutro
(P.M.N.);
2. Enfraquecimento do fluxo principal da máquina.
– p. 29/38
Campo principal (polar)
PMN
u
f
f
f
f
f
f
– p. 30/38
Campo da armadura
I
f
a
I
– p. 31/38
Campo resultante
PMN’
I
u
f
f
R
f
R
R
I
– p. 32/38
O enfraquecimento do campo pode ser visto na figura
abaixo
– p. 33/38
Tensão
di
L dt
Ocorre entre segmentos adjacentes do comutador.
– p. 34/38
Soluções para os problemas de comutação
Três alternativas básicas foram desenvolvidas para
corrigir ou resolver parcialmente os problemas
provocados pela REAÇÃO da ARMADURA nas
di
máquinas CC e pela tensão L dt
:
1. Deslocamento das escovas de carvão;
2. Colocação de INTERPÓLOS ou pólos de
COMUTAÇÃO;
3. Uso de enrolamentos COMPENSADORES
– p. 35/38
Deslocamento das ESCOVAS
– p. 36/38
interPÓLOS
– p. 37/38
Pólos COMPENSADORES
– p. 38/38