02 Motor de Passo e CC

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IFPA Prof. Lucas Nascimento

Técnico em Eletroeletrônica

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Resumo

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Resumo

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Resumo

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Resumo

O transformador aproveita das leis do eletromagnetismo para

transformar uma corrente alternada em fluxo magnético

variável que, por sua vez gera uma tensão induzida em

outra bobina permitindo gerar uma tensão diferente da

original.

Figura 4

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RESUMO

Figura 5

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RESUMO

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Aula 6

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Revisão de Mecânica

Torque, ou momento da força.

É a tendência de girar um objeto em relação a seu eixo.

É um produto vetorial do vetor força com o vetor posição onde esta força é aplicada.

A unidade no SI é Newton Metro (N.m)

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Revisão de Mecânica

Trabalho

Introduzido em 1826 por Gaspard-Gustave Coriolis, é um termo que desinga a transferência de energia de ou para um corpo.

A unidade no SI é Joule (J)

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Revisão de Mecânica

Potência

Potência mecânica é a taxa de realização de trabalho.

A potência mecânica de um motor elétrico é dada pelo produto entre o torque e a velocidade angular do mesmo.

A unidade no SI é Watts (W)

1cv = 736W (potência para elevar uma massa de 1kg a 1m em 1s) Peso = m.g = 75.9,81 736N≅

τ = F.d = 736.1 = 736Nm = 736J P = τ/t = 736J/1s = 736W

1HP = 746W

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Revisão de Mecânica

Potência

τ = F.d = 736.1 = 736Nm = 736J P = τ/t = 736J/1s = 736W

1HP = 746W

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Revisão de Mecânica

Potência

τ = F.d = 736.1 = 736Nm = 736J P = τ/t = 736J/1s = 736W

1HP = 746W

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Revisão de Mecânica

Potência

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Motor de Passo

O motor de passo é um tipo de máquina girante que converte sinais digitais em posicionamento de um motor elétrico.

Embora conhecido há bastante tempo, seu uso se difundiu em aplicações que exigiam grande controle de posição após o uso da eletrônica, onde a geração de sinais digitais ficou mais fácil.

Com eles é bem mais fácil controlar a posição e a velocidade sem necessidade de sensores complexos.

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Motor de Passo

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Motor de Passo

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Motor de Passo

Um motor de passo geralmente é construído por um rotor magnetizado permanentemente e um estator com bobinas que geram pólos aos quais o rotor irá se alinhar.

Quando estas bobinas são alimentadas em corrente contínua, elas

atraem os pólos opostos do rotor. Neste caso o motor “dá um passo”. Alimentando a próxima bobina você muda o local dos pólos e o rotor vai buscar um novo alinhamento, dando “mais um passo”.

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Motor de Passo

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Motor de Passo

Conforme a tabela, a movimentação do motor dar-se-á com a

movimentação das chaves S₁ e S₂. Comutando-se uma por vez o motor irá dar um passo. O sentido horário ou anti-horário é definido pela ordem de comutação dela, conforme a figura.

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Motor de Passo

Note que o número de pólos do estator define o tamanho do passo. Um motor com 4 pólos, conforme a figura anterior, irá mover-se 90º a cada passo.

Os motores de passo reais têm bem mais que quatro pólos no estator e vários imãns no rotor de forma a diminuir o tamanho do passo. Desta forma, o ângulo do passo é determinado por

Φ = 360º ou Φ = 2π n n Onde: Φ = ângulo do passo n = número de pólos Página 21

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Motor de Passo

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Motor de Passo

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Motor de Passo

A precisão de um motor de passo é da ordem de 5% do passo para um motor em vazio ou com carga constante.

Desta forma sabemos que o rotor irá se posicionar a no máximo 5% de diferença da distância estimada pelo controlador.

Diminuindo-se o tamanho do passo, conforme página anterior, aumenta-se a precisão de funcionamento.

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Motor de Passo

Torque:

O motor de passo tem 4 tipos básicos de torque:

Torque de partida sem erro: É o torque máximo que o motor consegue partir sem perder passo.

Torque de movimento: é o torque disponível após o motor estar em movimento.

Troque de travamento: Com o motor parado é o torque mínimo

necessário para forçar o movimento do rotor. É da ordem de 10% maior que o torque de movimento.

Torque residual: É o torque que persiste quando o motor é desligado. É resultado do campo magnético permantente dos imãs permanentes do rotor. Da ordem de 10% do torque nominal do motor.

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Motor de Passo

Rampa de aceleração:

A partir de certas velocidades ou demandas de torque pela carga, o motor não deve ser acelerado imediatamente até a velocidade angular

desejada, sob o risco de perda de passos e consequentemente perda de torque e perda de precisão no posicionamento do motor. Assim há uma curva de aceleração e de desaceleração recomendadas.

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Motor de Passo

Especificações Básicas

- Número de fases;

- Ângulo de passo [graus]; - Número de passos/rotação;

- Máximo Torque de partida [N.cm]; - Torque de travamento [N.cm]; - Torque Residual [N.cm];

- Inércia do motor [kg.cm2];

- Precisão do ângulo de passo [%]; - Freqüência máxima de passo [kHz];

- Máxima freqüência [Hz ou passos/segundo]; - Corrente máxima por fase [A];

- Resistência por fase [Ω]; - Indutância por fase [m]; - Peso [kg];

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Máquinas CC

São máquinas feitas para gerar ou operar em corrente contínua.

As primeiras gerações e transmissões de energia elétricas feitas por

Thomas Edison usavam tensão CC. Desta forma era mais prático que o motor e o gerador fossem de corrente contínua, evitando desperdício em conversões.

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Máquinas CC

A máquina de corrente contínua tem dois componentes principais. O rotor e o estator. A bobina que gera o campo magnético, que chamamos de campo, fica no estator. A bobina onde a tensão é induzida, que

chamamos de armadura, fica no rotor.

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Máquinas CC

Na máquina CC o enrolamento de campo fica no estator e o enrolamento de armadura no rotor. Note que para o correto funcionamento da

máquina CC faz-se necessário um comutador que mantém o torque na direção correta quando o rotor atinge um ponto onde haveria inversão. Veja figuras abaixo.

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Máquinas CC

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Máquinas CC

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Motor CC

O princípio de funcionamento elementar de um motor de corrente

contínua está baseado na força eletromagnética que atua sobre cada condutor imerso em um campo magnético, quando sobre ele circula uma corrente elétrica. Como a força útil que atua em cada condutor está a uma distância R (raio) do centro do rotor, o somatório da

contribuição de todos os conjugados dá origem ao conjugado do motor.

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Máquinas CC

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Motor CC

Na Figura anterior o imã representa o enrolamento de campo onde a

parte de baixa está o polo sul e a parte de cima o polo norte do imã. O enrolamento de armadura é então conectado a uma fonte CC através das escovas e do comutador. Começa a circular corrente pelo

enrolamento de armadura no sentido indicado na Figura anterior, devido a essa corrente um campo magnético é gerado em torno da condutor da armadura, cujo sentido é dado pela regra da mão direita, este campo interage com o campo do imã e então uma força surge com sentido indicado na Figura anterior e faz com que o enrolamento de armadura gire.

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Máquinas CC

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Motor CC

Como pode ser observado na Figura anterior entre o segundo e o terceiro estágio a corrente continua no mesmo sentido do enrolamento de

armadura e também na fonte de alimentação, fazendo assim com que a força sobre o enrolamento de armadura possua sempre o mesmo sentido. O comutador faz com o sentido seja o mesmo, ou seja, ele faz a retificação mecânica, caso o contrário a corrente na fonte de

alimentação seria alternada e consequentemente a força resultante sobre o enrolamento de armadura seria nula.

Na próxima página temos as formas de onda da tensão aplicada e a tensão retificada pelo comutador.

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Motor CC

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Motor CC

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Motor CC

Note que a máquina de corrente contínua pode funcionar como motor ou como gerador. Quando é um motor, E_a é uma força

contra-eletromotriz, pois estará consumindo potência no circuito elétrico onde está instalado. Quando é um gerador, por outro lado, E_a é a tensão

produzida por esta máquina.

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Motor CC

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Motor CC

Note que a máquina de corrente contínua pode funcionar como motor ou como gerador. Quando é um motor, E_a é uma força

contra-eletromotriz, pois estará consumindo potência no circuito elétrico onde está instalado. Quando é um gerador, por outro lado, E_a é a tensão

produzida por esta máquina.

Quando funciona como motor, a máquina irá produzir um torque dado pela seguinte equação.

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Motor CC

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Máquinas CC

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Máquinas CC

Enrolamentos de uma máquina CC

Enrolamento de Armadura: É o enrolamento do rotor. Estas bobinas são

conectadas ao comutador. O dimensionamento desta influencia a potência da máquina.

Enrolamentos de campo: São os enrolamentos responsáveis por gerar o fluxo magnético na máquina. Geralmente os motores vêm com dois enrolamentos de campo:

● Enrolamento Série – O enrolamento série é feito para ser ligado em série com

a armaura. Desta forma ele é dimensionado para suportar correntes altas, logo tem bitola alta e poucas voltas (baixa resistência elétrica)

● Enrolamento Shunt – O enrolamento shunt é conectado em paralelo à

armadura. Desta forma tem resistência alta e a corrente é bem menor que no campo série. Assim o fio é bem mais fino e a espira tem bem menos voltas.

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Máquinas CC

Ligações do motor CC

Excitação Independente – Neste tipo de ligação, temos uma fonte para a armadura e outra para o campo. Desta forma temos grande facilidade de controle de velocidade. A velocidade pode ser controlada pela

corrente de campo ou pela corrente de armadura.

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Máquinas CC

Ligações do motor CC Excitação Independente

1 – A velocidade é inversamente proporcional à corrente de armadura.

2 – Se a resistência de armadura fosse nula, a velocidade seria constante para uma determinada tensão aplicada (independente da corrente de armadura)

3 – Note que, pela equação do torque, este é diretamente proporcional à corrente. Assim, no caso de funcionamento como motor, quanto maior a carga mecânica, maior a corrente de armadura.

4 – Por último note que a velocidade diminui com o aumento da carga.

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Ligações do motor CC Excitação Independente Página 51

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Excitação Independente – Com fluxo e corrente de armadura com valores nominais, obtém-se torque nominal desde velocidade zero até

velocidade nominal

Sabendo que a potência é dada por (P = w.T), conclui-se a potência ⋅ será proporcional a velocidade.

Da equação (5) nota-se que a velocidade é inversamente proporcional ao fluxo, como mostra a curva ao lado

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Se por um lado a redução de fluxo proporciona aumento da velocidade, por outro traz consigo a diminuição da capacidade de torque do motor, o que é verificado pela equação

A máxima velocidade obtida através do enfraquecimento de campo será limitada pelas características mecânicas do motor e a tendência do motor se tornar instável para operação com baixo fluxo. As curvas abaixo representam o comportamento das grandezas torque(T), potência (P) e velocidade (w) para esta filosofia de controle

apresentada

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Máquinas CC

Os dois modos de controle apresentam

características diferentes. O controle por

armadura oferece rápida resposta, precisão e linearidade. Enquanto o controle por campo é lento devido à elevada constante de tempo do circuito (alta indutância).

Além disso, o controle de campo é isento de

linearidade, fato comprovado pela curva w x φ já apresentada. Ainda se ressalta a relação não

linear existente entre fluxo e corrente de campo, devido à característica (curva B x H) do material

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Excitação Paralela – Neste tipo de ligação o campo shunt e a armadura são ligados em paralelo (derivação), a corrente da fonte bifurca-se passando parte pelo campo e o restante pela armadura.

Esquematicamente o motor com excitação paralela é representado como se mostra abaixo:

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Excitação Paralela – Este tipo se mostra como uma solução simples, já que necessita apenas de uma fonte. Entretanto dificulta o controle de velocidade em ampla faixa, pois não é possível reduzir a tensão de armadura sem reduzir junto o fluxo. Isso acontecendo, permite

diminuição de velocidade mas reduz também a capacidade de torque da máquina. Assim sendo, os motores com excitação paralela são usados onde se requer pequeno torque de partida e uma velocidade praticamente constante, como nos ventiladores, bombas centrífugas, máquinas ferramentas, etc. Quando for necessário variar a velocidade do motor derivação em pequena faixa, adiciona-se um reostato em

série com o campo; manobrando-se o reostato consegue-se ajustar a corrente do campo que proporciona um fluxo adequado à velocidade desejada.

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Excitação Série – Neste tipo de excitação a armadura e o enrolamento de campo são ligados em série, portanto a corrente de armadura circula também pelo campo. Esquematicamente à máquina série é

representada pela figura abaixo.

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Excitação Série – O enrolamento de campo utilizado é o enrolamento série, diferente dos casos anteriores onde o enrolamento shunt é

usado. O enrolamento série apresenta menos espiras, porém de maior capacidade de corrente.

Neste tipo de motor o fluxo depende diretamente da corrente da

armadura. Se considerarmos a relação entre fluxo e corrente linear, pode-se afirmar que, enquanto o núcleo magnético não estiver

saturado, o conjugado varia diretamente com o quadrado da corrente, ou seja

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Ligações do motor CC Excitação Série – Página 59

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Máquinas CC

Excitação Série – O motor série tem um grande conjugado de partida e aguenta por algum período de tempo até algum nível de sobrecarga. Isso o torna útil, por exemplo, em trens e metrôs, guindastes, pontes rolantes, etc.

Note também que a velocidade varia inversamente com a corrente, e que o

torque varia diretamente com a corrente. Assim o aumento da carga reduz a velocidade e aumenta a corrente de armadura.

Quando a carga for constante e se necessita regular a velocidade, pode ser utilizado um reostato em paralelo com o enrolamento série variando assim o fluxo; ou se o campo série apresentar derivações pode-se variar o número de espiras. Há ainda outros processos para controlar a velocidade de um motor série

Os motores série de pequena potência que possuem o campo laminado servem para funcionar com C.A. e são chamados de motores universais. Página 60

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Gerador CC

Um gerador de corrente contínua precisa, conforme figura anterior, de um campo magnético permanente, uma espira ligada a um comutador e um circuito por onde circulará a corrente contínua.

Lembre que uma partícula eletricamente carregada em movimento em uma região com campo magnético não nulo será submetida a uma força. Note que a espira é construída com material condutor de corrente elétrica, logo os elétrons têm certa liberdade de movimento. Assim teremos os elétrons se deslocando devido à força supracitada.

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Máquinas CC

Gerador CC

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Gerador CC

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Máquinas CC

Gerador CC

Note que, para o gerador acima, a tensão obtida foi uma corrente do tipo pulsante, onde ela varia de 0 até a tensão máxima duas vezes por ciclo.

Este tipo de fonte tem pouco uso prático, exceto com uso de filtros. O Ripple1_{é 100%.}

1 - Ripple: Variação de tensão em uma fonte de tensão contínua.

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Máquinas CC

Gerador CC

Da mesma forma que vimos no motor, para um gerador podemos reduzir o ripple utilizando várias bobinas e selecionando apenas aquela que tem maior valor do ângulo com o campo magnético. Desta forma teremos uma tensão média bem maior e uma forma de onda mais próxima da tensão contínua ideal.

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Gerador CC

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Máquinas CC

Gerador CC

Lembre-se que, como motor, a armadura da máquina CC funciona como uma força contra-eletromotriz conforme figura abaixo:

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Máquinas CC

Gerador CC

Desta forma, como gerador, a máquina CC é uma fonte de tensão e sua resistência de armadura é a resistência interna da fonte.

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Máquinas CC

Gerador CC

E, de forma análoga, temos os tipos de excitação para um gerador CC. Excitação Independente

Autoexcitação

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Gerador CC

Excitação Independente – Temos uma fonte CC para o enrolamento de campo.

A tensão induzida, neste caso depende tanto da velocidade angular quanto da corrente de campo.

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Gerador CC

Autoexcitação – Neste caso utilizaremos a tensão gerada pela própria máquina para produzir a corrente de campo que gera o fluxo magnético. Neste caso podemos fazer a excitação série, paralela ou composta.

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Gerador CC

Autoexcitação shunt – Neste caso o enrolamento de campo shunt é ligado na armadura, como mostra o esquema abaixo. Pode-se utilizar um reostato para ajuste de corrente de campo

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Gerador CC

Autoexcitação shunt – A auto-excitação é possível tendo em vista a presença do magnetismo remanescente (magnetismo residual) que permaneceu no núcleo da máquina na última vez em que foi a mesma foi desligada. Assim, quando a armadura é colocada em movimento por ação da máquina primária, existirá uma pequena tensão induzida nos terminais da armadura. Como esta tensão está aplicada ao circuito de campo, começa circular uma pequena corrente de campo IF. Com esta corrente, ocorre um crescimento do fluxo magnético levando a um aumento da tensão gerada. Isso faz a corrente de campo aumenta ainda mais e assim por diante. Este processo continuará até que em alguns segundos a máquina fornece a tensão nominal. _{Página 73}

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Máquinas CC

Gerador CC

Notem que algumas situações podem impedir a autoexcitação:

● Falta de (ou baixo) magnetismo residual – provocado por vibração

excessiva, calor extremo, choques mecânicos, longo tempo desenergizado.

● Conexão do circuito de campo invertida em relação ao circuito de

armadura;

● Resistência do circuito de campo maior do que a resistência critica;

● Conexão aberta ou alta impedância no circuito de armadura –

comutador sujo, escova frouxa.

● Baixa resistência de carga.

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Exercícios:

Considere um gerador CC com enrolamento de campo em paralelo cuja resistência é igual a 80Ω. A resistência do enrolamento de armadura é igual a 0,1 Ω. A potência nominal igual a 12kW, a tensão gerada igual a 100V e a velocidade nominal igual a 1000rpm. Determine:

a) O circuito elétrico equivalente;

b) A tensão nos terminais do gerador.

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Exercícios:

Considere um gerador CC com enrolamento de campo em paralelo cuja resistência é igual a 80Ω. A resistência do enrolamento de armadura é igual a 0,1 Ω. A potência nominal igual a 12kW, a tensão gerada igual a 100V e a velocidade nominal igual a 1000rpm. Determine:

a) O circuito elétrico equivalente;

b) A tensão nos terminais do gerador. P = I.U 12000 = i.100 i= 120A V_A= 100 – 120.0,1 V_A= 100 - 12 V_A = 88V Página 76

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