Abstract— A conversão eletromagnética de energia relaciona as forças elétricas e magnéticas do átomo com a força mecânica aplicada à matéria e ao movimento. Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas.
A energia elétrica produzida através desta conversão eletromecânica de energia pode ser reconvertida várias vezes, antes que a energia seja finalmente convertida à forma que realizará o trabalho útil.
Neste trabalho será feita uma breve contextualização histórica das máquinas de corrente contínua e abordados seu princípio de funcionamento, partes constituintes, classificação e cálculo do rendimento.
I. INTRODUÇÃO
O físico dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu o princípio motor do eletromagnetismo, em 1820. Ele observou que a corrente elétrica gerava ao seu redor um campo eletromagnético capaz de movimentar a agulha magnética de uma bússola, mudando sua orientação [7].
O inglês Michael Faraday (1791-1867), era físico e químico e graças à sua curiosidade e a metódicas experiências, ele pôde demonstrar em 1822 o campo magnético circular. Faraday encheu com mercúrio - um metal condutor - duas taças especialmente desenhadas, de modo a ter um fio elétrico saindo do seu fundo. Numa delas fixou verticalmente uma barra magnetizada. Na outra, deixou frouxo outro magneto. Na primeira taça, quando um fio elétrico pendurado acima da taça tocava o mercúrio, fechando o circuito, esta se punha a girar em volta do ímã. Na outra taça, onde o fio estava frouxo, quando ligado à corrente o magneto girava em torno do fio central. Este foi o primeiro motor elétrico, o autêntico ancestral das máquinas de hoje.
Nove anos depois, Faraday notou que se colocasse um ímã dentro de uma bobina, em cujo fio passasse energia elétrica, este se moveria de forma a acompanhar as linhas de força da bobina; demonstrou assim que uma bobina eletrizada é também um ímã. Se colocarmos uma bobina entre dois ímãs fixos, sem tocar neles, ela aponta seu pólo norte para o pólo
Trabalho da disciplina Fundamentos da Eletricidade sobre Máquinas de Corrente Contínua.
Professor Flávio G. R. Martins
Autores: Antonio Feliciano Xavier Neto – DRE: 114059606 João Batista Fernandes de Sousa Filho – DRE: 114024431 João Victor Carriello Celes – DRE: 114039232
Livia Beatriz Machado de Almeida - DRE: 114063118 Luiz Fhelipe Oliveira – DRE: 114043516
Thaís Pratas de Almeida – DRE: 114143382
sul do ímã e vice-versa. Mas, como os pólos da bobina são determinados pelo sentido da corrente que passa pelo fio, quando o invertemos, os pólos também se invertem, o que faz com que a bobina se mova novamente. Se essa inversão da corrente for constante, ela não pára de girar. Na época de Faraday, como a única fonte de energia elétrica disponível era a de uma pilha, de corrente contínua, a mudança de sentido dá corrente se dava através de um sistema chamado comutador, até hoje usado em brinquedos e outros pequenos motores [6].
Depois de 1831, muitas máquinas elétricas (motores e geradores) foram criadas – por cientistas como Antoine-Hypolliti Pixii, Marcel Deprèz e Jakob Einstein (o tio do famoso pai da teoria da relatividade, Albert Einstein) –, mas todas ainda estavam em fase experimental. Só em 1869 o inventor e mecânico belga Zénobe Gramme construiu o primeiro protótipo de gerador de corrente contínua, que permitiu o seu uso como um motor elétrico. Após aperfeiçoamentos, o equipamento passou a ser explorado comercialmente em 1878. Foi a primeira vez que uma máquina geradora de luz elétrica ganhou escala comercial. Já em 1889, o croata-americano Nikola Tesla criou o seu primeiro motor de indução. Este acontecimento foi determinante na divulgação da utilização da corrente alternada, permitindo a distribuição da energia por longas distâncias [7].
II. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O funcionamento das máquinas elétricas, quer sejam elas geradores ou motores, tem como objetivo a transformação de energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa.
O princípio físico que permitiu que esses tipos de mecanismos fossem estudados e elaborados é representado pela Lei de Indução de Faraday.
A corrente elétrica induzida por um campo magnético em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação temporal do número de linhas de fluxo magnético que atravessam a área delimitada pelo circuito [11].
Ou seja, o Físico Michael Faraday indicou, em sua lei, que uma variação do Fluxo de campo Magnético sobre um condutor poderia induzir uma Força Eletromotriz no condutor, e, consequentemente, induzir uma corrente no fio. Esta relação é representada por (1) elaborada pelo físico alemão Franz Ernst Neumann [1].
𝜀 =𝑑𝜑𝐵
𝑑𝑡 (1) 𝜀 − 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑧 𝑜𝑢 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜
Máquinas de Corrente Contínua
Antonio F. X. Neto, João Batista F. S. Filho, João Victor C. Celes, Livia Beatriz M. Almeida, Livia S.
M. Chaves, Luiz Fhelipe Oliveira, Thaís P. de Almeida
𝜑𝐵− 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑚𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜
𝑡 − 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
É importante ressaltar que o sentido da corrente induzida segue a Lei de Lenz, ou seja, a corrente induzida gera um Campo Magnético que se opõe a variação de Fluxo de Campo Magnético gerada inicialmente [1].
Partindo deste princípio, bastava-se, então, utilizar energia mecânica para se movimentar um ímã próximo a um condutor e seria induzida uma corrente no fio. De forma análoga, a injeção de uma corrente elétrica em um fio situado em um campo magnético alteraria o fluxo 𝜑𝐵 no condutor e,
consequentemente, geraria um movimento no ímã com a finalidade de compensar essa alteração [1].
As máquinas elétricas que existem atualmente resultaram da evolução e desenvolvimento dessas ideias. Nos geradores de correntes contínuas, em vez de movimentar-se um ímã em direção a um condutor, passou-se a utilizar a energia mecânica para rotacionar um conjunto de bobinas em um campo magnético e, assim, induzir uma corrente elétrica nestas bobinas [1].
Nos motores de correntes contínuas, por outro lado, passou-se a passou-se alimentar com uma corrente um conjunto de bobinas chamado de armadura, que se localiza dentro de um campo magnético e, a partir da relação entre o campo gerado na armadura e o campo que já existia, gerar um movimento de rotação no rotor [1].
A. Armadura
No motor, a armadura recebe corrente de uma fonte externa de alimentação. Essa corrente faz a armadura girar, por meio de uma variação do fluxo de campo magnético. Essa variação do fluxo gera um torque na armadura produzindo uma rotação e consequentemente energia mecânica. Nas máquinas de corrente contínua são utilizados enrolamentos de circuitos fechados O núcleo da armadura é construído de camadas laminadas de aço, provendo uma faixa de baixa relutância magnética entre os pólos [8].
Segundo [10] as lâminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o aço usado é de qualidade destinada a produzir uma baixa perda por histerese ou imantação.
O núcleo contém ranhuras axiais em suas bordas que serve de suporte para colocação do enrolamento da armadura, que é constituído de bobinas isoladas eletricamente entre si e do núcleo da armadura, colocadas nas fendas e ligadas ao comutador [9].
As bobinas da armadura usadas em grandes máquinas CC são geralmente enroladas na sua forma final antes de serem colocadas na armadura. As bobinas pré-fabricadas são colocadas entre fendas do núcleo laminado da armadura.
No gerador o processo é o contrário. Uma energia mecânica é disposta para gerar rotação na armadura. Essa rotação gera uma variação no fluxo magnético e assim, pela Lei de Faraday, induzindo uma tensão. Essa tensão é ligada a um circuito externo, gerando energia elétrica [9].
B. Comutador
Para fins de otimização e continuidade de funcionamento destas máquinas, utilizam-se os mecanismos conhecidos como comutador e escovas. Em um motor, a alimentação das bobinas é feita pelas escovas. Quando carregadas, essas bobinas começam a rotacionar e, ao realizar este movimento, a posição relativa entre as bobinas carregadas e o campo magnético no qual elas estavam inseridas muda. Com essa mudança, o torque no rotor deixa de possuir seu valor máximo e começa a diminuir e, se nenhuma correção fosse feita, o eixo pararia de rotacionar. O comutador, ao acompanhar o movimento de rotação da armadura, faz com que as escovas passem a se ligar a outras bobinas, diferentes das anteriores, e que ainda estão em posição que geram o torque máximo no eixo. Dessa forma, o eixo do motor estará sempre sujeito ao torque máximo gerado pelas bobinas e funcionará de forma otimizada. Devido a essa constante mudança de bobinas às quais as escovas estão associadas, a corrente consegue fluir pelo sistema de maneira contínua [1].
Para o gerador, o raciocínio de funcionamento é similar. Contudo, a energia chega como rotação no eixo da armadura e sai como corrente elétrica pelas escovas [1].
C. Indução de Campo
O campo em que a armadura será inserida possui função essencial na conversão de energia elétrica em magnética e vice-versa, esquematicamente semelhante ao campo constante onde há uma espira girando em torno de seu eixo. A forma como a alimentação da bobina de campo é feita interfere em características gerais do funcionamento.
Vale ressaltar que a disposição e quantidade dos polos (a direção do campo, por consequência) ditará a posição do enrolamento de armadura onde haverá máximo aproveitamento da máquina, localizada no plano neutro. Usualmente emprega-se 4 polos, em forma de cruz, para otimizar o processo.
D. Reação da Armadura
Em vista da interação dos fenômenos citados, dificilmente é alcançada a unicidade de uma determinada propriedade. Isso significa que haverá forças não desejáveis presentes no funcionamento prático da máquina.
Considerando que a comutação deverá ocorrer no instante em que não haja tensão induzida numa espira da armadura, é possível constatar a importância do posicionamento das escovas, uma vez que a comutação errada produzirá uma tensão (centelhamento) que danificará a máquina. A reação da armadura constitui-se de um fator não desejável que altera a direção do plano neutro (próprio para comutação) a partir da interação dos campos magnéticos induzidos pelo enrolamento de campo e armadura. Para minimizar esse efeito, utilizam-se dois métodos: os interpolos, polos magnéticos que criarão um campo que compensará a reação da armadura; e enrolamentos de compensação, que têm a mesma função, porém maior eficácia.
III. PARTES CONSTITUINTES
A figura 1 mostra as principais partes construtivas de uma máquina CC.
Fig.1. Corte transversal da máquina de corrente contínua mostrando as partes constituintes principais.
Fonte: Pereira [5]
Entre o estator e o rotor encontra-se uma parte de ar que os separa: o entreferro. A figura 2 representa a vista do estator e do rotor.
Fig. 2. Vista do estator e do rotor Fonte: Máquinas [2]
A. Partes Constituintes do Estator
O estator, fixo, se destina fundamentalmente à criação do fluxo indutor [2].
• Carcaça: é a estrutura que suporta todas as demais partes. Também tem por função conduzir o fluxo magnético de um polo ao outro. Esta peça pode ser fabricada em ferro fundido ou em aço [5].
• Polos de Excitação Principal: constitui um núcleo magnético formado por um conjunto de chapas laminadas de aço empilhadas e magnéticas. Têm por função produzir o fluxo magnético. As suas extremidades são mais largas e constituem as sapatas polares [5].
• Enrolamento Principal de Campo: consiste de umas poucas espiras de fio grosso para o campo série ou muitas espiras de fio fino para o campo-shunt. É bobinado sobre o polo de excitação principal. É alimentado em corrente contínua e estabelece assim um campo magnético contínuo no
tempo [5][9].
• Enrolamento Auxiliar de Campo: igualmente alojado sobre o polo principal. À semelhança do enrolamento de compensação, tem por função compensar a reação da armadura reforçando o campo principal [5].
• Polos de Comutação: são colocados entre os polos principais. São constituídos por um núcleo em chapa magnética e por um enrolamento que se liga em série com o enrolamento do induzido [2][5].
• Enrolamentos de Comutação: são percorridos pela corrente da armadura, sendo ligados em série com este. Têm por função facilitar a comutação e evitar o aparecimento de centelhamento no comutador [5].
• Conjunto Porta-Escovas e Escovas: o porta-escovas é a estrutura mecânica que aloja as escovas. É montado de tal forma que possa ser girado para um perfeito ajuste da comutação da máquina. As escovas são constituídas de material condutor e deslizam sobre o comutador quando este gira; elas são pressionadas por molas contra a superfície do comutador. As escovas podem ser de diversos materiais (Carvão, Metal, etc.) e diversas tipos (macias, duras, etc.). Atualmente empregam-se quase exclusivamente escovas grafíticas ou de carvão e metal [2][5].
B. Partes Constituintes do Rotor
O rotor (figura 3), móvel, contém duas peças essenciais: o enrolamento da armadura onde se processa a conversão de energia mecânica em elétrica e vice-versa, e o comutador que constitui um conversor mecânico de "corrente alternada-corrente contínua" ou vice-versa [2].
Fig. 3. Rotor da máquina DC com coletor (comutador), enrolamentos do induzido e núcleo do induzido.
Fonte: Máquinas [2]
• Núcleo Magnético: com ranhuras axiais para alojar o enrolamento da armadura. Está conectado ao eixo e é construído de camadas laminadas de aço, provendo uma faixa de baixa relutância magnética entre os polos. As lâminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o aço usado é de qualidade destinada a produzir uma baixa perda por histerese. Tem ranhuras axiais para alojar o enrolamento da armadura [5].
• Enrolamento da Armadura: é composto de um grande número de espiras em série ligadas ao comutador. O giro da
armadura faz com que seja induzida uma tensão neste enrolamento [5].
• Comutador: é constituído 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 [5].
• Eixo: é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada [5].
IV. CLASSIFICAÇÃO
De um modo geral, pode-se classificar as máquinas de corrente contínua em dois grandes grupos: os motores de corrente contínua e os geradores de corrente contínua.
Os motores de corrente contínua convertem energia elétrica em energia mecânica de rotação quando condutores que conduzam corrente são obrigados a girar por um campo magnético. Alguns exemplos de suas aplicações são em máquinas de lavar, secadoras de roupa, ventiladores e ar-condicionado [9].
Os geradores de corrente contínua convertem energia mecânica de rotação em energia elétrica produzindo correntes em condutores que giram através de um campo magnético. Essa energia mecânica pode ser fornecida por uma queda d’água, vento, vapor, combustíveis ou motor elétrico [9]. A. Classificação dos Motores de Corrente Contínua
Motor com excitação independente
O enrolamento de campo é conectado a uma fonte de tensão independente e o enrolamento da armadura é conectado a outra fonte, não tendo nenhuma ligação entre os dois enrolamentos. A figura4representa esse tipo de motor [2].
Motor Derivação
A figura 5 é uma representação gráfica desse tipo de motor. O enrolamento de armadura (AB) e o enrolamento de campo (CD) estão dispostos em paralelo e conectados a uma fonte de alimentação contínua. Esta fonte de energia alimenta simultaneamente os enrolamentos do indutor e do induzido. A corrente 𝑖𝑡 que a máquina pede à fonte é a soma da corrente do
induzido 𝑖𝑎 e da corrente do indutor 𝑖𝑓. Normalmente a
corrente 𝑖𝑓 é muito menor do que a corrente 𝑖𝑎 e
frequentemente confunde-se 𝑖𝑡 com 𝑖𝑎 [2][3].
Fig. 5. Enrolamentos de um motor derivação Fonte: Máquinas [2]
Motor Série
Nesse tipo de motor o enrolamento de campo é ligado em série com a armadura, sendo ambos percorridos pela mesma corrente. A rotação pode ser controlada por meio da tensão da armadura. O motor série gira lentamente com cargas pesadas e muito rapidamente com cargas leves. Se essa carga for retirada completamente, a velocidade aumentará consideravelmente, podendo destruir o motor. A figura 6 mostra uma representação desse tipo de motor [2][3].
Motor de excitação composta
É uma combinação dos motores tipo série e tipo derivação. O enrolamento de campo é composto por um enrolamento com muitas espiras de fio fino, ligado em paralelo com o enrolamento de armadura, e outro com poucas espiras de fio grosso, ligado em série com o enrolamento de armadura. Fig. 4. Enrolamentos de um motor com excitação independente
Fonte: Pereira [5]
Fig. 6. Enrolamentos de um motor série Fonte: Pereira [5]
Pode-se obter máquinas com características diferentes a partir das várias relações de enrolamentos derivação e série. A figura 7 mostra o circuito elétrico para o motor com excitação composta [2][3].
Fig. 7. Enrolamentos de um motor de excitação composta Fonte: Máquinas [2]
B. Classificação dos Geradores de Corrente Contínua Gerador com excitação com campo independente O enrolamento de campo é alimentado por uma fonte de energia independente, não se utilizando a tensão fornecida pela própria máquina.
Gerador com excitação de campo paralelo
Nesse tipo de gerador o enrolamento de campo está em paralelo com o enrolamento da armadura, que fornece a alimentação necessária ao enrolamento de campo. Isso é possível por causa da capacidade do material ferromagnético de reter densidade de fluxo residual, que é responsável por gerar tensão nos terminais de saída do gerador e realimentar o enrolamento de campo, que funcionará como fonte de força motriz para o enrolamento da armadura [3].
Gerador com excitação de campo série
Os enrolamentos de campo e da armadura são ligados em série. Nesse caso, é necessária uma carga conectada entre os terminais de saída do gerador para que exista corrente no enrolamento de campo [3].
Gerador com excitação de campo composta
Combinação do gerador com excitação de campo paralelo e série, ou seja, o enrolamento de campo está ligado em série e em paralelo com o enrolamento da armadura [3].
V. RENDIMENTO
O rendimento de uma máquina consiste na potência que é efetivamente utilizada para utilização mecânica, sobre a potência que lhe é fornecida. A primeira, podemos chamar de potência útil ou potência mecânica, e a segunda, de potência absorvida ou potência elétrica de entrada. No funcionamento da máquina, ocorrem perdas de várias origens. Por isso, a potência absorvida nunca é integralmente convertida em potência útil. Devido ao funcionamento das máquinas de corrente contínua, atritos mecânicos das partes girantes fazem com que haja essa perda de potência. Também, há perdas devido à resistência elétrica dos enrolamentos da máquina, que transformam parte da potência absorvida em energia térmica (calor). Por último, ocorrem duas outras perdas que acontecem no ferro, são elas: perdas por histerese e perdas por
correntes parasitas. Essas perdas dependem da condição de carga e da rotação da máquina, que não são constantes durante a operação da máquina. Por isso, o rendimento da máquina não se mantém igualmente constante. A perda por histerese depende do ciclo de magnetização que ocorre no funcionamento da máquina, devido à variação da corrente no tempo. Sendo assim, parte da potência absorvida também é convertida em calor. As perdas por correntes parasitas, ou correntes de Foucault, são causadas por que a corrente induzida no material condutor da máquina dissipa parte da energia fornecida em forma de efeito Joule, semelhante às perdas antes mencionadas. A equação (2) que determina o rendimento [5]: 𝜂 =𝑃𝑚 𝑃𝑒 . 100 =(𝑃𝑒− 𝑃𝑝) 𝑃𝑒 . 100 (2) 𝜂 − 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑃𝑚− 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 (ú𝑡𝑖𝑙)𝑛𝑜 𝑒𝑖𝑥𝑜 𝑃𝑒− 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
As máquinas CC são projetadas para funcionarem em valores nominais, ou seja, valores “ótimos” para que haja um funcionamento sem que a mesma sofra prejuízos permanentes. Por conta disso, os gráficos do rendimento a seguir (figura 8) representam bem o que acontece quando a máquina opera fora desses valores:
Fig. 8. Enrolamentos de um motor de excitação composta Fonte: Pereira [5]
Pode não parecer tão direto, mas mesmo que haja uma carga maior do que a estabelecida como nominal, o rendimento da máquina não será melhor do que se houvesse uma carga nominal. Isso se deve às perdas que foram mencionadas anteriormente, que são otimizadas no funcionamento da máquina no valor estabelecido como nominal.
VI. CONCLUSÃO
A partir das informações expostas neste trabalho pode-se observar as contribuições para a sociedade desde o advento da máquina elétrica e o desenvolvimento das tecnologias a partir de 1831.
Foi possível entender o funcionamento físico e mecânico dos componentes das máquinas e verificar que as diversas derivações proporcionaram máquinas com características distintas, desde as partes componentes até os tipos de ligação, e consequentes aplicações diversas na indústria.
REFERÊNCIAS
[1] IFSC (Instituto de Física de São Carlos). Lei da Indução de Faraday, Universidade de São Paulo.
[2] MÁQUINAS de Corrente Contínua. Apostila sobre máquinas de corrente contínua. Capítulo 1. Disponível em: <https://cdn.hackaday.io/files/9127390489568/motoresCC2.pdf >. Acesso em: 03/07/2016.
[3] MARQUES, L.S.B.; SAMBAQUI, A. B. K.; DUARTE, J. Apostila de Máquinas Elétricas. Instituto Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, 2013.
[4] ORNELAS, P. Motores elétricos de corrente contínua. DEM (Departamento de Engenharia Mecânica), Escola Politécnica, Universidade Federal Da Bahia.
[5] PEREIRA, L. A. Apostila máquina CC. PUCRS (Pontifícia Universidade Católica – Rio Grande do Sul), DEE (Departamento de Energia Elétrica).
[6] REVISTA SUPER INTERESSANTE. Disponível em: <http://super.abril.com.br/ciencia/o-motor-eletrico>. Acesso em: 06/07/2016.
[7] FAPERJ. Projeto da UFRJ cria museu virtual sobre as primeiras máquinas elétricas. Disponível em: <http://www.faperj.br/?id=1827.2.7> . Acesso em: 06/07/2016.
[8] VALKENBURGH, V. Eletricidade Básica. Editora Freitas Bastos, São Paulo. Março, 1968.
[9] VILLAR, G. J. V. “Geradores e motores CC (máquinas de corrente contínua)”. Apostila da disciplina Máquinas e Acionamentos Elétricos, CEFETRN (Centro Federal de Educação Tecnológica do RN), UNED (Unidade de Ensino Descentralizada de Mossoró), 2006.
[10] VILLATE, J.E. “Eletricidade e Magnetismo”. Creative Commons Atribuição-Partilha. Março, 2013. ISBN 978-972-99396-2-4
[11] WHITTAKER, E.T. “A History of the Theories of Aether and
Electricity”, 1910.