Geradores e Motores de Corrente Contínua - Eletricidade

GERADORES E MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

Profa. Msc. Rafaelli Pereira de Souza

ELETRICIDADE

Tipos de Máquinas elétricas

Máquinas de corrente contínua:

Gerador e motor de corrente contínua

Máquinas de corrente alternada

Gerador (alternador) e motor síncrono

Motor assíncrono (Motor de Indução Trifásico)

Os mesmos princípios fundamentais formam a base

da operação tanto de máquinas ca como cc, que são

governadas pelas mesmas leis fundamentais.

Máquinas Elétricas

GERADOR MOTOR

Converte energia

mecânica em energia

elétrica.

Converte energia elétrica

em mecânica

A conversão eletromecânica de energia envolve a troca de

energia entre um sistema elétrico e um sistema mecânico

através de um campo magnético de acoplamento.

Torque eletromagnético

Visto que a conversão eletromecânica de energia

envolve a troca entre um sistema elétrico e mecânico,

as grandezas fundamentais no sistema mecânico são

o torque e a velocidade e as grandezas análogas

aos sistema elétrico são a corrente e a tensão.

Sistema

Elétrico

Sistema

Mecânico Campo de

Acoplamento

e, i T, ωm

Partes construtivas

A máquina CC é constituída por duas partes principais:

1) Enrolamento de campo: Parte fixa destinada fundamentalmente à criação de densidade de fluxo magnético no indutor e;

2) Enrolamento de armadura: Parte móvel, designada por induzido, na qual se processa a conversão de energia mecânica em elétrica (gerador elétrico) ou a conversão de energia elétrica em mecânica (motor elétrico). Onde a fem de trabalho é induzida.

As partes fixas e móveis estão separadas uma da outra por um entreferro.

Partes construtivas

Na máquina CC a circulação de corrente contínua nas

bobinas estabelece uma distribuição de campo

magnético ao longo da periferia do entreferro.

Portanto, em uma máquina CC o enrolamento de

campo está no estator e o enrolamento de armadura

está no rotor.

O rotor é formado por um núcleo laminado, que tem

ranhuras para acomodar o enrolamento de armadura.

Partes construtivas ARMADURA

Gerador: A armadura gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é ligada a um circuito externo. A armadura do gerador libera corrente para um circuito externo (a carga).

Motor: Recebe a corrente de uma fonte elétrica externa, isso faz a armadura girar. A armadura recebe a corrente de um circuito externo (a fonte de alimentação).

Partes construtivas

ANEL COMUTADOR

Converte a corrente alternada que passa pela sua armadura

em corrente contínua liberada através de seus terminais (no

caso do gerador).

O comutador é constituído por segmentos de cobre com um

par de segmentos para cada enrolamento da armadura.

Os segmentos são montados em torno

do eixo da armadura e são isolados do

eixo e do ferro da armadura.

Partes construtivas ESCOVAS

São conectores de grafite fixos, montados sobre molas que permitem que eles deslizem (ou escovem) sobre o comutador no eixo da armadura.

Conduzem a corrente contínua para ou do enrolamento de armadura, dependendo se está ocorrendo uma ação de motor ou gerador.

As escovas servem de contato entre

os enrolamentos da armadura e a carga

externa.

Partes construtivas

ENROLAMENTO DE CAMPO

Este eletroímã produz o fluxo interceptado pela armadura.

Em um motor, a corrente para o campo é fornecida pela

mesma fonte que alimenta a armadura.

Em um gerador, a fonte de corrente de campo pode ser uma

fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente da

própria armadura

ESTATOR: onde o enrolamento de campo é alojado;

ROTOR: onde o enrolamento induzido é alojado.

Principio de Funcionamento das

Máquinas Elétricas Todas as máquinas elétricas funcionam segundo a Lei de

Faraday-Lenz.

Todo condutor elétrico que se movimenta com uma dada

velocidade dentro de um campo magnético surge uma tensão

entre os seus terminais. A tensão obtida por meio deste fenômeno

é chamada de tensão induzida (fem de velocidade), a qual é dada

pela seguinte expressão.

e = b.l.v

e = tensão induzida, Volts.

b = indução magnética, Tesla.

l = comprimento do condutor, metros.

v = velocidade do campo, m/s

Gerador de corrente contínua

Os geradores CC, também conhecidos como dínamos,

são máquinas que recebem energia mecânica no eixo e

fornecem energia elétrica sob a forma de corrente

contínua.

Diferem, portanto, dos diversos dispositivos retificadores,

onde não intervém a energia mecânica.

Apenas o resultado obtido é o mesmo: energia elétrica de

polaridade constante e de intensidade fixa no tempo.

Princípio de funcionamento

Gerador de corrente contínua

O princípio de funcionamento de um gerador CC é muito

simples. A máquina consta de um circuito destinado a

criar um campo magnético, cujo fluxo corta um outro

circuito, este destinado a gerar corrente elétrica.

Todo funcionamento é baseado na Lei de Faraday-Lenz.

Fazendo-se com que ocorra a variação do fluxo

magnético, aparecem “fem’s” induzidas no circuito, que

tendem a se opor à variação de fluxo.

Essas “fem’s”, quando ligadas a um circuito externo

originam a passagem de corrente elétrica.

Na figura pode-se observar uma espira colocada entre dois

polos magnéticos, um Norte e outro Sul. Girando-se a espira

em torno de seu eixo, cria-se um movimento relativo entre o

campo e a espira.

A espira fica sujeita a um fluxo magnético variável, que faz

com que nela apareça uma fem induzida, aparece, portanto,

uma diferença de potencial que alimenta um circuito externo.

A fem induzida é, portanto, alternada, variando no tempo seguindo a lei senoidal.

Assim, mesmo nos geradores CC, a fem induzida ou gerada nas bobinas é da forma alternada.

Como nos terminais do gerador a tensão é da forma contínua, pode-se concluir que existe um dispositivo que permite a transformação de energia alternada em contínua.

Esse dispositivo recebe o nome de coletor ou comutador.

No entanto, podemos tornar essa fem unidirecional se

invertermos os terminais do condutor sempre que a fem

inverte o seu sinal.

Isto é, se a fem gerada na espira for captada por duas

escovas condutoras, cada uma delas em contato com um

segmento (semi-anel) do comutador, a corrente resultante

terá sempre o mesmo sentido, embora o seu valor não seja

constante.

A energia elétrica obtida ainda não é do tipo “corrente contínua

constante”. Porém, foi analisado o caso de apenas uma espira.

Utilizando-se duas espiras, perpendiculares e um anel dividido

em quatro partes, tem-se o dispositivo abaixo.

Quanto maior o numero de espiras mais próximo da corrente

contínua estar-se-á, podendo-se dizer que em todas as máquinas

práticas a corrente obtida é perfeitamente contínua.

As máquinas utilizam o induzido composto de várias espiras,

sendo que cada espira é ligada a uma parte do anel comutador.

Graças a ele que se pode obter a corrente contínua.

Sentido da Força no Gerador CC

Regra da mão direita

Motor de corrente contínua

Embora a construção mecânica de motores e geradores

CC seja muito parecida, as funções são diferentes.

A função de um gerador é de gerar uma tensão quando os

condutores e deslocam através de um campo, enquanto

um motor serve para produzir um esforço para a rotação,

ou torque, para produzir rotação mecânica.

Num motor CC, a energia elétrica de corrente contínua é

levada até o enrolamento da armadura para fazê-lo girar e

gerar trabalho.

Princípio de funcionamento

Quando a armadura gira,

seus condutores cortam o

campo principal e com isto

tensão é gerada nos

enrolamentos da armadura.

Esta tensão, por se opor à fonte de tensão externa, é

chamada de Força Contra-eletromotriz (f.c.e.m.).

Princípio de funcionamento

O funcionamento do motor

CC baseia-se nas forças

resultantes da interação

entre o campo magnético

e a corrente que circula

na armadura.

O condutor da esquerda tende a se deslocar para cima com uma força F1, e o condutor da direita tende a se deslocar para baixo com uma força igual F2.

As duas forças agem de modo a produzir um torque que faz a bobina girar no sentido horário.

Sentido da Força no Motor CC

Regra da mão esquerda

Indicador: sentido do campo

Médio: sentido da corrente

Polegar: sentido do

descolamento do condutor

O torque T produzido por um motor é

proporcional à intensidade do campo

magnético e à corrente da armadura.

Princípio de funcionamento Um motor constituído por apenas uma bobina é

impraticável, porque ele tem centros mortos e o torque produzido é pulsante.

Obtém-se bons resultados quando se usa um grande número de bobinas como é o caso do motor de 4 polos.

Á medida que a armadura gira e os condutores se afastam de um polo passando pelo plano neutro, a corrente muda de sentido nos condutores em virtude da ação do comutador

Assim, os condutores sob um dado polo conduzem a corrente no mesmo sentido em todos os instantes.

Requisitos de partida dos motores CC

Há duas exigências durante a partida dos motores.

1. Tanto o motor quanto as linhas de alimentação

devem estar protegidos contra um fluxo excessivo

de corrente durante o período da partida (coloca-se

uma resistência externa em série com o circuito da

armadura).

2. O torque de partida no motor deve ser o maior

possível para fazer o motor atingir a sua velocidade

máxima no menor tempo possível.

Perdas na Máquina CC

Perdas no cobre

Perdas por efeito joule

Perdas mecânicas ou rotacionais

Perdas no ferro:

Perdas por correntes parasitas ou Correntes de Foucault.

Perdas por histerese magnética

Perdas por atrito

Atrito no rolamento;

Atrito nas escovas;

Perdas por vento ou atrito com o ar.

Aplicações

As máquinas de corrente contínua possuem torques de partida elevados, assim como torques de aceleração e desaceleração elevados.

Os motores CC são empregados em todos os setores industriais.

Exige-se, para a alimentação desses motores fontes de CC de potência elevada e é onde aparecem os geradores de CC.

Utilizados também nas usinas de geração de energia elétrica em corrente alternada.