Laboratório de Convers?ao Eletromecânica de Energia B

Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia
B
Profa . Katia C. de Almeida
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1.1
Caracterı́stica de Magnetização da Máquina de Corrente Contı́nua
Introdução
Máquinas de corrente contı́nua (MCC) devem ser usadas em situações onde a versatilidade de
operação é importante. Tais máquinas podem fornecer torques de partida elevados, assim como
torques de aceleração e desaceleração elevados. São capazes também de inversões rápidas e
suas velocidades podem ser controladas com relativa facilidade em comparação com todos os
outros dispositivos de conversão eletromecânica de energia. Estas caracterı́sticas fazem com que
MCC tenham grande aplicação industrial. Infelizmente, necessidade de um retificador mecânico
(comutador) para converter a f em CA induzida nas bobinas em tensão contı́nua torna este tipo
de máquina mais frágil e mais cara do que as outras máquinas elétricas.
As máquinas de corrente continua possuem três componentes básicos: (i) o enrolamento de
campo, (ii) o enrolamento de armadura e (iii) o comutador que converte a tensão CA induzida
na armadura em corrente contı́nua.
A Figura 1 indica as caracterı́sticas mais importantes da MCC. O estator é constituı́do por
material ferromagnético em chapas equipado com uma estrutura saliente em torno da qual as
bobinas são enroladas. A circulação de corrente contı́nua nas bobinas estabelece uma distribuição
de campo magnético ao longo da periferia do entreferro de forma semelhante ao que ocorre
com o rotor de uma máquina sı́ncrona. Portanto, na MCC, o enrolamento de campo está
no estator. Segue-se que o enrolamento de armadura está no rotor. O rotor é formado por um
núcleo laminado que tem ranhuras para acomodar o enrolamento de armadura. O rotor também
contém o comutador que se constitui de uma série de segmentos de cobre, isolados uns dos outros
e colocados em um arranjo cilı́ndrico. Em cima do comutador e em contato com este estão as
escovas de carbono, convenientemente dispostas, que servem para conduzir corrente contı́nua
para ou do enrolamento de armadura, dependendo se a MCC opera como motor ou gerador.
Supondo a operação da máquina na Figura 1 como motor, a corrente contı́nua, i, circula pelo
Figura 1: Máquina de Corrente Contı́nua
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enrolamento de campo e chega ao enrolamento de armadura pelas escovas. Com i entrando
pela escova B1 , do lado esquerdo, no condutor de fora, a corrente circula para dentro do papel.
Por conseguinte, do lado direito, no condutor de fora, a corrente circula para fora do papel. A
interação entre a corrente e o campo magnético gera uma força em cada condutor, dando origem
a um torque que causa rotação do rotor no sentido dos ponteiros do relógio.
A função do comutador é assegurar que, quando o condutor 1 gira indo da posição atual
para o lado direito de B1 , a corrente nele muda de sentido assegurando um torque unidirecional
contı́nuo para todo o enrolamento de armadura. A inversão da corrente acontece porque o
comutador permite a corrente circule sempre na mesma direção em cada um dos lados dos
enrolamentos da armadura.
Colocando-se as escovas numa linha perpendicular ao eixo do campo, todos os condutores
contribuem para a produção de torque unidirecional. Se as escovas fossem colocadas em linha
com o eixo do campo, metade dos condutores produziriam torque no sentido dos ponteiros do
relógio e a outra metade no sentido contrário, produzindo torque nulo.
1.2
Geração de Tensões Unidirecionais
A Figura 2.a indica o gráfico da densidade de fluxo produzida pelo enrolamento de campo em
função do deslocamento ao longo da periferia do rotor. A Figura 2.b mostra uma máquina de
dois pólos com um enrolamento de armadura constituı́do pela bobina a − a0. As extremidades
das bobinas são conectadas ao comutador que está em contato com as escovas B1 e B2 . Tem-se
o seguinte comportamento para a fem induzida de armadura Ea :
Figura 2: Tensões Geradas
• Em 1 : Ea = 0 pois os lados da bobina se encontram em pontos com densidade de fluxo
zero.
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• Em 2 : existe fem induzida em cada lado da bobina e seu módulo é proporcional ao
valor de densidade de fluxo Bf assim como à velocidade e ao comprimento de cada lado
da bobina. O sentido da tensão induzida no lado a é tal que torna a polaridade de B1
positiva.
• Em 3 : Ea = 0 pois cada lado da bobina se encontra sob densidade de fluxo nula.
• Em 4 : o lado a está sob influência do pólo sul tendo assim uma fem de polaridade
invertida. Entretanto, está em contato com B2 , o que mantém esta escova com polaridade
negativa. Portanto, a tensão que aparece na escova é unidirecional por causa do efeito do
comutador (Figura 2.c). A onda resultante neste caso não é satisfatória porque seu módulo
não é constante. Entretanto pode-se ter Ea quase constante distribuindo-se o número de
bobinas de armadura e colocando-se um grande número de ranhuras por pólo no rotor.
1.3
Tipos de Geradores de Corrente Contı́nua
Na MCC funcionando como gerador, a energia mecânica é entregue ao rotor e uma carga elétrica
é conectada nos terminais de armadura. Para fornecer energia elétrica para a carga, contudo,
um campo magnético deve ser estabelecido no entreferro para que haja acoplamento magnético,
permitindo a transferência de energia do sistema mecânico para o sistema elétrico. Existem
dois modos de energizar o enrolamento de campo: (i) excitá-lo com uma fonte auxiliar e (ii)
auto-excitação. Estes dois modos dão origem a dois tipos de geradores: o excitado por uma
fonte externa (Figura 3.a) e o gerador em derivação auto-excitado (Figura 3.b).
(a) Independente
(b) Em Derivação
Figura 3: Tipos de Excitação da MCC
1.4
Curva de Magnetização da MCC
Tanto o torque eletromagnético como a tensão gerada numa máquina depende das taxas de
variação dos fluxos nos enrolamentos das máquinas. Para uma fmm especı́fica, os fluxos dependem da relutância do ferro presente no circuito magnético e do entreferro da máquina.
A saturação do meio magnético pode portanto influenciar fortemente as caracterı́sticas das
máquinas. Sendo assim, muitos esforços são feitos para reproduzir as condições magnéticas no
entreferro corretamente. Dados essenciais para o tratamento da saturação são obtidos da curva
de magnetização da máquina. Rigorosamente falando, a curva de magnetização representa o
gráfico do fluxo no entreferro (Φ) versus a fmm de enrolamento de campo (=). Entretanto, no
gerador CC com constante de enrolamento, KE conhecida e com velocidade em rpm , n, fixa
tem-se que
Ea = KE Φn
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Figura 4: Curva de Magnetização
pZ
onde KE = 60a
, sendo p o número de pólos da máquina, Z o número total de condutores no
enrolamento de armadura e a o número de caminhos paralelos do enrolamento de armadura.
Por outro lado, tem-se que = é proporcional à corrente de campo da máquina. Sendo assim, a
curva de magnetização representa um gráfico a tensão de armadura induzida em circuito aberto
em função da corrente de campo da máquina (Figura 4).
Da Figura 4 vemos que se a corrente de campo é igual a zero, a f em induzida tem valor 0a.
O valor não nulo se deve ao magnetismo residual da máquina.
Na Figura 4 é também indicada a reta da resistência de campo que é o gráfico da corrente
gerada pela tensão aplicada à associação série do enrolamento de campo e da parte ativa do reostato de campo. Sendo assim, a declividade da reta é igual à soma da resistência de enrolamento
de campo (Rf ) com a resistência ativa do reostato (Rrh ).
A curva de magnetização ajuda a compreensão do processo de auto-excitação da máquina.
O magnetismo residual 0a causa a circulação de uma corrente de campo 0b que, por sua vez,
contribui para o fluxo residual produzindo uma fem induzida de valor bc maior do que 0a. Este
processo de aumento de Ea continua até que a f em induzida produza apenas corrente de campo
suficiente para sustentá-la (ponto f da figura). Para que o crescimento da f em de armadura
ocorra (escorvamento da tensão) é necessário portanto que: (i) exista um fluxo magnético residual; (ii) a f mm do enrolamento de campo ajude o fluxo residual e; (iii) a resistência do circuito
de campo seja inferior ao valor da Resistência de Campo Crı́tica que é o valor de resistência que
faz com que a reta da resistência coincida com o trecho linear da curva de saturação.
Já que a curva de magnetização fornece dados importantes sobre a máquina, este primeiro
ensaio com MCC é feito para se obter esta curva de magnetização.
1.5
Ensaio
Para este ensaio, a MCC será acionada como um gerador. O eixo da MCC receberá torque
mecânico vindo da máquina sı́ncrona que será ligada como um motor.
1.5.1
Procedimento (veja esquema em anexo)
1. Partir a máquina sı́ncrona como motor (anexo).
2. Com a fonte de corrente contı́nua, alimentar o campo da MCC que irá trabalhar como
gerador.
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(a) Colocar tensão um pouco acima da nominal (∼ 250Vcc ) através da variação da corrente de campo.
(b) Reduzir a a excitação de campo de modo que a tensão na armadura caia de 10 em
10 volts, anotando Ea e If (tensão de armadura e corrente de excitação do campo).
(c) Desenhar a curva Ea × If .
3. Desligar a bancada.
Anexo: Procedimento experimental para colocar a máquina sı́ncrona em funcionamento como motor.
1. Colocar o terminal A (ver esquema) no descanso D. Curto-circuitar o amperı́metro de
armadura do motor sı́ncrono. Curto-circuitar o enrolamento de campo do motor sı́ncrono.
2. Com o varivolt aplicar tensão nominal (Vlinha = 230V ) no motor sı́ncrono., que partirá
então como motor de indução visto que os amortecedores funcionam como gaiola.
3. Retirar o curto-circuito do enrolamento de campo. Colocar o terminal A no ponto 2 e ligar
a rede de corrente contı́nua. Sincronizar o motor colocando corrente no campo através do
reostato de campo (∼ 0.4A). Retirar o curto-circuito do amperı́metro de armadura.
Para desligar o motor sı́ncrono, curto-circuitar o amperı́metro, cortar alimentação em corrente contı́nua, zerar a tensão alternada de alimentação com o varivolt.
1.6
Bibliografia
1. Del Toro, V.; Electromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems. New
Jersey (USA), Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1968.
2. Sadowski, N.; Notas de Aula - Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia B.
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