Máquinas Eléctricas I

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Máquinas Eléctricas I

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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

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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”.

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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 à

potência 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 = = bsorvida potência a til potência ú Rendimento

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REGIMES DE SERVI

REGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:

Regime S1: Regime contínuo

tn Carga Perdas Elétricas Temperatura Tempo θθθθ máx

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um período inferior ao

tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico.

tn Tempo θθθθ máx Carga Perdas Elétricas Temperatura S2 60 min S2 30 min

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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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% DC Carga Perdas Elétricas Temperatura θθθθ máx Tempo tn tr Duração do ciclo - DC

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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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% DC Carga Perdas Elétricas 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) n 1 n 2 n 1 2 1 t ... . .. t t. P ... t. P Peq ++++ ++++ ++++ ++++ ====

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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COMPONENTES DE UM ACCIONAMENTO

• Alimentação eléctrica • Protecção/ Comando eléctrico • Motor • Acoplamento mecânico • Mecanismo impulsionado

Energia mecânica sob a forma de movimento rotativo,

caracterizado por binário e

Energia eléctrica sob a forma de tensão e corrente

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RENDIMENTO

η = = bsorvida potência a til potência ú Rendimento

Bomba hidráulica accionada por motor eléctrico

100 p P p 100 P p P 100 P P u a a a u _x _x ₁ _x + − = − = = 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] ==== ==== •••• t d F Tempo Trabalho P J] kWh, [Wh, t P E ==== •••• TRABALHO e TRABALHO e POTÊNCIA: POTÊNCIA: T = F . b T = F . b = Força x “braço” [ Nm ] BIN

BINÁÁRIO, RIO, ““TorqueTorque””, , ““ParPar””((CoupleCouple), ), ““ConjugadoConjugado”” ou MOMENTO de 1 for

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Temperaturas máximas admissíveis

CLASSES DE ISOLAMENTO

• A utilização de isolantes de classe F em máquinas de classe B

dá 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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COMPOSI

COMPOSIÇÇÃO 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 15 quente e a temperatura média

Total: Temperatura do ponto ºC 105 120 130 155 180 mais quente

Classe de Isolamento

Classe de Isolamento -- AA EE BB FF HH

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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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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 tem 0 - sem protecção 2.º ALGARISMO 1.º ALGARISMO

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CLASSIFICA

CLASSIFICAÇÃO DE MOTORES ELÇÃO 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

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Regra da Mão Direita

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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 – E2 Indutor paralelo D1 – D2 Indutor série C1 – C2 Enrolamento de compensação B1 – B2 Pólos auxiliares ou de comutação A1 – A2 Induzido

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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 fem alternada.

• 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

• 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

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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 e_a e e_c (e_b e e_d) são portanto opostas

– Em todos os instantes temos:

e_a+e_b+e_c+e_d= 0 o que significa que não temos

corrente de circulação no enrolamento – A fem captada nas escovas

varia entre _e_a (a 0º- fig.

Ante-rior) e e_a+ e_d (a 45º- posição

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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 fluxo cortado varia de ponto para ponto, a fem E depende da posição das bobinas em cada instante

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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 no curto-circuito “bobina-escovas”

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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, causando chispas (faíscas)

• As escovas têm de ser colocadas nas

zonas neutras, porque:

– O curto-circuito ocorre quando a fem induzida nas espiras é nula

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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.

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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 fem

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EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA

• fem induzida mais forte

em certas zonas de

influência dos pólos (fluxo

aditivo) do que noutras

(fluxos opostos)

• A fem máxima da máquina deixa

de ser na linha neutra geométrica e passa

a 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 é constante ( = c.te₎

– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada

– _{Elevação da tensão em laminas consecutivas do colector} junto 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 auxiliares}

de comutação

– Melhoram a comutação e eliminam o deslocamento da linha neutra

– São colocados na linha neutra geométrica e ligados em série com o 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 laminas

consecutivas -> espiras em curto-circuito – Há inversão do sentido da corrente

nas espiras (passagem das espiras de 1 via ou caminho para a via seguinte).

• 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

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Tipos de Excitação Magnética

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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

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Geradores de Excitação Separada

• Utilizam-se electroímanes

em vez de imanes

perma-nentes para criar o campo

magnético.

– 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

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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 Separada

caracteristica interna (ou de vazio)

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Geradores de Excitação Separada

Aplicações típicas •Tacógrafos •Tensão proporcional à velocidade 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-r

_i

.I- -2u

_e

E – força electromotriz induzida U – tensão aos terminais

r_i – resistência do induzido

u_e- queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector

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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 femE₀do gerador Shunt

Controlo de Tensão

• A fem E₀ em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela

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Processo Cumulativo da auto - excitação

• Magnetismo remanescente

• 1

as

_{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)}

CONDI

CONDIÇÇÕES DE ÕES DE

EXCITABILIDADE

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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 (i_excdecresce com a

– 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

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Gerador Compound

• O gerador compound é similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com a

utilização de um indutor série.

– O indutor série é

composto por poucas

espiras de fio grosso, dado que vai ser percorrido pela corrente do Induzido

– A resistência do indutor série 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

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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

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Comparação de Características

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Associação de Geradores

• Em série (para obter + tensão)

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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

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Associação de Geradores

• Internamente Estável

• Distribuição de carga

– O de menor “queda interna” suporta + carga

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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

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Motores de Corrente Continua

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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.

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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.

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Motores de Corrente Continua

• No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador

U > E’ E > U

(U) (E)

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Motores de Corrente Continua

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