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Luis Pestana Luis Pestana

Máquinas Eléctricas I

Generalidades

M Má áquinas El quinas Elé éctricas ctricas

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,

• 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,
• u 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 SERVIÇ ÇO MAIS IMPORTANTES: O MAIS IMPORTANTES:

• Regime S1: Regime contínuo

tn Carga Perdas Elétricas Temperatura Tempo θ θ θ θ máx

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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REGIMES DE SERVI REGIMES DE SERVIÇ ÇO MAIS IMPORTANTES: O MAIS IMPORTANTES:

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

tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico.

tn Tempo θ θ θ θ máx Carga Perdas Elétricas Temperatura

S2 60 min S2 30 min

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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REGIMES DE SERVI REGIMES DE SERVIÇ ÇO MAIS IMPORTANTES: O MAIS IMPORTANTES:

• 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 θ θ θ θ máx Tempo tn tr Duração do ciclo - DC

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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REGIMES DE SERVI REGIMES DE SERVIÇ ÇO MAIS IMPORTANTES: O MAIS IMPORTANTES:

• 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 θ θ θ θ máx td tn tr

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

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POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE “ “ PEQUENA IN PEQUENA INÉ ÉRCIA 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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CHAPA DE CARACTERÍSTICAS

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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 velocidade 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 1 x 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 BINÁ ÁRIO, RIO, “ “Torque Torque” ”, , “ “Par Par” ” ( (Couple Couple), ), “ “Conjugado Conjugado” ”

• u MOMENTO de 1 for
• u MOMENTO de 1 forç

ça: a:

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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 COMPOSIÇ ÇÃO DA TEMPERATURA EM FUN ÃO DA TEMPERATURA EM FUNÇ ÇÃO 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

• A

A E E B B F F H H

CLASSES DE ISOLAMENTO

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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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CÓDIGOS DE REFRIGERAÇÃO (MOTORES)

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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 CLASSIFICAÇ ÇÃO DE MOTORES EL ÃO DE MOTORES ELÉ ÉTRICOS: 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

• Máquinas de corrente contínua

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GERADOR ELEMENTAR

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GERADOR ELEMENTAR

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Regra da Mão Direita e = Blv F = Bli

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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

• u de comutação

A1 – A2 Induzido

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GERADOR DC

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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
• s enrolamentos estão ligados ao exterior

– um alternador utiliza anéis deslizantes – um dínamo utiliza um comutador

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Melhoria da forma de onda

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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 – As 4 bobinas são idênticas

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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 ea e ec (eb e ed) são portanto opostas – Em todos os instantes temos: ea+eb+ec+ed= 0 o que significa que não temos corrente de circulação no enrolamento – A fem captada nas escovas varia entre ea (a 0º- fig. Ante- rior) e ea+ ed (a 45º - posição da figura ao lado)

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FEM Induzida (E)

• Aumentando o nº de 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

e = Blv

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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” B=0

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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 – É nas zonas neutras que se capta + fem

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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.

• O deslocamento “” é função da corrente no rótor

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Reacção do Induzido

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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 induzida total

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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

• deslocamento da linha neutra

– São colocados na linha neutra geométrica e ligados em série com o induzido – Produzem campo magnético oposto ao do 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 Classificação

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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
• Hipo-compound

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Excitação de máquinas de Corrente Contínua

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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

• utro gerador)

Rx – reostato de campo

E0

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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-ri.I--2ue

E – força electromotriz induzida U – tensão aos terminais ri – resistência do induzido ue- queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector – queda de tensão devido à reacção do induzido

Excitação separada

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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 fem E0 do gerador Shunt

Controlo de Tensão

• A fem E0 em vazio, é determinada

pela curva de magnetização e pela resistência do circuito indutor

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Processo Cumulativo da auto - excitação

• Magnetismo remanescente
• 1as 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 CONDIÇ ÇÕES DE ÕES DE EXCITABILIDADE 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 (iexc decresce com a carga) – 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

Característica externa

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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

Circuito equivalente

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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 – Limita a corrente de curto-circuito

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Comparação de Características

• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.

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Associação de Geradores

• Em série (para obter + tensão)
• Em paralelo (para obter + corrente)

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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

Paralelo de Dínamos tipo Série

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Associação de Geradores

• Internamente Estável
• Distribuição de carga

– O de menor “queda interna” suporta + carga Paralelo de Dínamos tipo Shunt

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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 Paralelo de Dínamos tipo Compound

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Motores de Corrente Continua

Considerações Gerais

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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. Características principais

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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. Aplicações principais

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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

Características mecânicas

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