GERADORES E MOTORES DE C.C. E C.A.
Julho - 2003
ÍNDICE I - INTRODUÇÃO AOS GERADORES E MOTORES ........................................................................ 04 1.1 - Fundamentos dos Geradores e Motores .................................................................................... 04 1.2 - Fontes de energia para acionamento dos geradores ................................................................... 05 1.3 - Revisão Revisão de Produção de Eletricidade por meio do Magnetismo Magnetismo .................. ......... .................. ................... ................... ............. 05 1.3.1 - Regra da mão esquerda ............. .... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ........... 06 II - O GERADO GERADOR R ELEMENTAR ELEMENTAR .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ..................... ....07 07 2.1 - Partes do Gerador Elementar .................................................................................................. 07 2.2 - Funcionamento Funcionamento do Gerador Elementar .................. ........ ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. .............08 08 2.3 - O Comutador Comutador ................................. .................................................. .................................. .................................. .................................. .................................. .................... ... 09 2.4 - Conversão de C.C. em C.A. por meio do Comutador .............................................................. 10 2.5 - Melhorando a saída de C.C. .................................................................................................... 11 2.6 - REVISÃO DE GERADOR ELEMENTAR ............................................................................ 13 III - O GERADOR GERADOR DE C.C. ................................. .................................................. .................................. .................................. .................................. ............................. ............ 14 3.1 - Construçã Construçãoo do Gerador Gerador .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. .................... ... 14 3.2 - Construção do Gerador de C.C. ............................................................................................. 14 3.2.1 - Tipos Tipos de Armaduras Armaduras ................................ ................................................. .................................. ................................... ................................ .............. 16 3.3 - Tensão de saída saída do Gerador ........... .. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............. .... 17 3.4 - Tipos de Geradores de C.C. ................... .......... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ............... ..... 18 3.5 - Geradores de C.C. com Excitação Independente Independente ................... ......... ................... .................. .................. ................... ................... ............. 18 3.6 - Geradores de C.C. Auto-excitados Auto-excitados .................. ......... .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ............... ..... 19 3.6.1 - Geradores de C.C. Auto-excitados em Série .............................................................. 20 3.6.2 - Geradores de C.C. Auto-excitados tipo Shunt ............................................................ 20 3.6.3 - Geradores de C.C. Auto-excitados Compound ........................................................... 21 3.7 - Regulaçã Regulaçãoo de Tensão .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ....................... ...... 22 3.8 - Comutação nos Geradores de C.C. ........................................................................................ 22 3.9 - Reação da Armadura nos Geradores de C.C. ......................................................................... 23 3.10 - REVISÃO DE GERADORES DE C.C. ................... .......... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............. .... 23 IV - O MOTOR DE C.C. ................................ ................................................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................. 25 4.1 - Conversão de energia elétrica em energia mecânica .............................................................. 25 4.2 - Princípio de funcionamento do Motor de C.C. ...................................................................... 25 4.3 - Ação do Comutador em um Motor de C.C. ........................................................................... 25 4.4 - Reação Reação da Armadura Armadura .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ....................... ...... 27 4.5 - Torque do Motor de C.C. ...................................................................................................... 27
4.6 - Potência e eficiência do Motor de C.C. ................................................................................. 28 4.7 - Força Contra-eletromotriz (f.c.e.m.) .................. ......... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... ............. 28 4.8 - Motor Shunt Shunt ................................ .................................................. ................................... .................................. .................................. .................................. .................... ... 29 4.9 - Motor Série Série ................................. ................................................... ................................... .................................. .................................. .................................. .................... ... 30 4.10 - Motor Motor Compoun Compoundd .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. .......................... ......... 31 4.11 - Comparação Comparação das características características dos Motores de C.C. - Regulaçã Regulaçãoo de velocidade ................ ......... ....... 31 4.12 - Inversão do sentido de rotação do Motor de C.C.................................................................. 32 4.13 - Controle de velocidade do Motor de C.C. ........................................................................... 32 4.14 - Experiência Experiência / Aplicação - controle controle de velocidade velocidade do Motor de C.C. e F.C.E.M. F.C.E.M. .................. .......... ........ 33 4.15 - REVISÃO DE MOTORES DE C.C. ................................................................................... 34 V - GERADO GERADORES RES DE C.A. ........................................... ............................................................ .................................. .................................. .................................. .................... ... 36 5.1 - Introdução aos Geradores de C.A. .......................................................................................... 36 5.2 - Tipos de Alternadores .................... .......... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ............... ..... 36 5.3 - Freqüência do Alternador ....................................................................................................... 37 5.4 - Construção do Alternador ....................................................................................................... 37 5.5 - Características do Gerador de C.A. ......................................................................................... 38 5.6 - Alternad Alternador or Monofásic Monofásicoo ................................. .................................................. .................................. .................................. .................................. ....................... ...... 39 5.7 - Alternad Alternador or Bifásico Bifásico ................................ ................................................. .................................. .................................. .................................. ............................. ............ 39 5.8 - Alternad Alternador or Trifásico Trifásico .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. .......................... ......... 40 5.9 - Ligaçã Ligaçãoo Estrela Estrela ................................ ................................................. ................................... ................................... .................................. .................................. ................. 40 5.10 - Ligaçã Ligaçãoo Triângulo Triângulo ................................ ................................................. .................................. .................................. .................................. ............................. ............ 41 5.11 - REVISÃO DE GERADORES DE C.A. .................. ......... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ............... ..... 42 VI - MOTORES MOTORES DE C.A. .................................. ................................................... .................................. .................................. ................................... ................................ .............. 43 6.1 - Tipos de Motores de C.A. ............. ... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ............... ..... 43 6.2 - Campo Campo girante girante ................................ ................................................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................. 43 6.3 - Motor Síncrono Síncrono .................................. ................................................... .................................. .................................. ................................... ................................ .............. 45 6.4 - Motor de Indução Indução .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ............................. ............ 46 6.4.1 - Deslizam Deslizamento ento .................................. ................................................... .................................. .................................. .................................. ....................... ...... 47 6.4.2 - Torque e eficiência ............ ... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............. .... 48 6.5 - Motor de Indução Bifásico .................................................................................................... 48 6.6 - Motores de Indução Monofásicos .......................................................................................... 49 6.6.1 - Campos Campos do Estator Estator ................................. .................................................. .................................. .................................. ................................ ............... 50 6.6.2 - Campos Campos do Rotor Rotor ................................. .................................................. .................................. ................................... ................................... ................. 50 6.6.3 - Motores de Fase dividida .......................................................................................... 51 6.6.4 - Motores com Capacitores de Partida ......................................................................... 51 6.6.5 - Chave Chave Centrífuga Centrífuga ................................ ................................................. .................................. ................................... ................................... ................. 52 6.6.6 - Motores de Pólo Fendido .......................................................................................... 52 6.7 - Motor Série de C.A. - Motor Motor Universal Universal ................... .......... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................ ....... 53 6.8 - REVISÃO DE MOTORES DE C.A. ..................................................................................... 54
INTRODUÇÃO AOS GERADORES E MOTORES
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I - INTRODUÇÃO AOS GERADORES E MOTORES 1.1 - Fundamentos dos Geradores e Motores Quase todas as pessoas vivem e trabalham no extremo de um circuito elétrico. Do seu estudo da Eletricidade Básica, você deve lembrar que diferentes formas de energia podem ser convertidas em eletricidade (energia elétrica) e que, do mesmo mesmo modo, a eletricidade (energia elétrica) pode ser convertida em diferentes formas de energia. O gerador elétrico é o dispositivo que transforma energia mecânica em energia elétrica - o motor elétrico, essencialmente um gerador usado de modo diferente, transforma energia elétrica em energia mecânica. É provável que você se lembre de que os geradores são usados para fornecer quase toda a energia elétrica usada atualmente. Um dos nossos principais problemas é encontrar fontes de energia para o acionamento desses geradores. Por este motivo, torna-se cada vez maior a necessidade de novas fontes alternativas de energia. No momento, dependemos quase totalmente do gerador elétrico para obter a energia elétrica que utilizamos. Evidentemente, usamos a energia elétrica para muitos fins, além da obtenção de energia mecânica através dos motores.
Você já tem o conhecimento conhecimento básico necessário à compreensão do funcionamento dos gerado-
res e dos motores. Este volume abordará este assunto e tratará também do controle dos geradores e dos motores, bem como da eliminação de defeitos nos mesmos. Embora seja grande a variedade de geradores e motores, verificaremos que todos eles são basicamente basicamente mui muito to semelhantes. semelhantes. Todos os o s geradores e motores elétricos usam a interação entre condutores em movimento e campos magnéticos (ou vice-versa). As diferenças entre os dispositivos que estudaremos dependem do modo como os condutores e os campos magnéticos são dispostos e também das suas saídas (elétrica ou mecânica). Neste ponto, é conveniente rever o que foi estudado sobre magnetismo e efeitos magnéticos, antes de prosseguir com o estudo dos geradores e dos motores. Embora os geradores e os motores de C.C. e de C.A. sejam o objetivo do seu estudo neste volume, é importante que você saiba, desde já, que o funcionamento de qualquer uma dessas máquinas depende simplesmente da interação de campos magn6ticos e condutores percorridos por correntes elétricas.
INTRODUÇÃO AOS GERADORES E MOTORES
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1.2 - Fontes de Energia para Acionamento dos Geradores Como já foi visto, uma f.e.m. é induzida em um condutor que se move através de um campo magnético. Todas as usinas geradoras, que proporcionam quase toda a energia elétrica consumida atualmente no mundo, usam este princípio simples para converter uma forma qualquer de energia em energia elétrica. A maioria das estações geradoras usa a energia térmica produzida pela queima de combustíveis fósseis, tais como carvão, óleo ou gás natural para obter vapor. O vapor é utilizado então para acionar uma turbina acoplada a um gerador. Ocorrem, assim, várias transf tr ansformações ormações de energia: primeiro, a energia química do combustível é convertida em calor; a energia térmica é transformada em energia mecânica, ou de movimento, na turbina; e, finalmente, a energia mecânica é convertida em energia elétrica no gerador. Independentemente da fonte original de energia - carvão, óleo, gás, plutônio, urânio, queda d'água, sol, vento - a etapa final é sempre a conversão da energia mecânica de rotação em energia elétrica, em um
gerador. O mesmo acontece em todos os pequenos conjuntos geradores nos navios e nos veículos motorizados, e também nas fontes de energia de emergência.
1.3 - Revisão de Produção de Eletricidade por meio do Magnetismo Você sabe que se pode produzir eletricidade movimentando um fio em um campo magnético. Desde que haja movimento relativo entre o condutor e o campo magnético, há produção de eletricidade. A tensão obtida é conhecida como tensão induzida ou f.e.m. induzida, e o processo para obtê-la, cortando o campo magnético com um condutor, é chamado indução. O valor da tensão induzida no condutor que corta o campo magnético depende de diversos fatores. Primeiro, quando aumenta a velocidade de corte das linhas do campo magnético pelo condutor, a f.e.m. também aumenta. Segundo, quando a intensidade do campo magnético aumenta, a f.e.m. induzida também aumenta. Terceiro, se o número de espiras que corta o campo magnético é aumentado, a f.e.m. induzida é novamente aumentada. A polaridade da f.e.m. induzida será tal que a corrente resultante criará um campo magnético que reagirá com o campo do imã e se oporá ao movimento da bobina. Este fenômeno ilustra um princípio conhecido como Lei de Lenz. Esta lei afirma que, quando existe indução indução eletromagnética, o sentido da f.e.m. induzida é tal que o campo magnético dela resultante se opõe ao movimento
que produz a f.e.m.
A tensão induzida (E) em cada condutor é proporcional à intensidade do campo magnético multiplicada pela velocidade do condutor no campo: E fluxo x velocidade Você também sabe que a polaridade da tensão induzida, e, portanto, o sentido da corrente ge-
INTRODUÇÃO AOS GERADORES E MOTORES
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rada, é determinada pelo sentido do movimento relativo entre o campo magnético e o condutor que o corta.
Resumindo o que você já sabe sobre a eletricidade produzida pelo magnetismo: 1. O movimento de um condutor através de um campo magnético gera uma f.e.m. que produz uma corrente. 2. Quanto mais rápido for o movimento, quanto maior o número de espiras e quanto maior a intensidade do campo magnético, tanto maior será a f.e.m. induzida e mais intensa será a corrente. 3. Invertendo-se o sentido do movimento do condutor, a polaridade da f.e.m. induzida também é invertida e, portanto, o sentido da corrente. 4. Não importa qual se mova, se o condutor ou o campo magnético, porque o resultado é o mesmo.
1.3.1 - Regra da Mão Esquerda Vimos como uma f.e.m. é gerada na bobina de um gerador elementar. Existe um método simples para determinar o sentido da f.e.m. induzida em um condutor que se desloca em um campo magnético: a regra da mão esquerda para geradores. Segundo esta regra, se você colocar o polegar, o dedo indicador e o dedo médio da mão esquerda formando três ângulos retos, com o polegar indicando o sentido do movimento do condutor e o indicador mostrando o sentido do fluxo magnético, o dedo médio apontará o sentido da f.e.m. induzida, isto é, o sentido em que haverá corrente como resultado da f.e.m. induzida. Já aprendemos que existem duas convenções referentes ao sentido da corrente: a convenção baseada na teoria eletrônica, que afirma que a corrente sai do terminal negativo de uma fonte de eletricidade, e a convenção mais antiga que admite a corrente saindo do terminal positivo de uma fonte de eletricidade. Nos volumes de Eletricidade Básica usamos a primeira dessas convenções, e a regra da mão esquerda para geradores indica o sentido da corrente eletrônica, de acordo com a-
quela convenção. A mesma regra explicada acima, mas com o uso da mão direita, indicará o sentido da corrente de acordo com a convenção mais antiga.
Também usaremos a convenção em que um condutor mostrado como "+" significa que a corrente está se afastando do observador, enquanto que um apresentado como " " significa que a corrente está se dirigindo para o observador.
O GERADOR ELEMENTAR
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II - O GERADOR ELEMENTAR
2.1 - Partes do Gerador Elementar Um gerador elementar consiste de uma espira de fio disposta de tal modo que pode ser girada em um campo magnético uniforme. Este movimento causa a indução de uma corrente na espira. Para ligar a espira a um circuito externo que aproveite a f.e.m. induzida, são usados contatos deslizantes. Os pólos norte e sul do imã que proporciona o campo magnético são as peças polares. A espira de fio que gira dentro do campo é chamada de ar-
madura. As extremidades da espira são ligadas a anéis, chamados anéis coletores, que giram com a armadura. Escovas fazem contato com os anéis coletores e ligam a armadura ao circuito externo. Você já deve ter observado que este é o mesmo gerador elementar descrito no estudo da produção de uma tensão alternada. Na descrição do funcionamento do gerador, nas páginas seguintes, você deve imaginar a espira girando dentro do campo magnético (contudo, é
O GERADOR ELEMENTAR
bom lembrar que, com a mesma facilidade, poderíamos fazer o imã girar). À medida que os lados da espira cortam as linhas de força do campo, há produção de uma f.e.m. que provoca uma corrente através da espira, anéis coletores, escovas, medi-
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dor de corrente com zero central e resistor de carga - tudo ligado em série. O valor da f.e.m. induzida que é gerada na espira e, portanto, da corrente produzida, depende da posição instantânea da espira em relação ao campo magnético.
2.2 - Funcionamento do Gerador Elementar Imagine que a espira (armadura) está girando da esquerda para a direita e que "A" é a sua posição inicial (zero grau, na figura abaixo). Na posição "A", o plano da espira é perpendicular ao campo magnético e seus condutores branco e preto se deslocam paralelamente ao campo magnético. Quando um condutor se move paralelamente a um campo magnético, ele não corta as linhas de força do campo e portanto não há geração de f.e.m. no condutor. Isto se aplica aos condutores da espira, quando estão na posição "A"; não há f.e.m. induzida e, portanto, não há corrente no circuito. A leitura de intensidade de corrente é zero.
À medida que a espira se desloca da posição "A" para a posição "B", os condutores cortam um número cada vez maior de linhas de força, até que, a 90° (posição "B"), eles estão cortando o nº máximo de linhas. Em outras palavras, entre zero e 90°, a f.e.m. induzida nos condutores cresce de zero até o valor máximo. Observe que, de zero a 90°, o condutor preto se desloca para baixo, enquanto que o condutor branco se desloca para cima. Portanto, as forças eletromotrizes induzidas nos dois condutores estão em série e se somam. A tensão resultante entre as escovas (tensão entre os terminais) é igual ao dobro da f.e.m. em um condutor, porque as forças eletromotrizes nos dois condutores têm valores iguais. A corrente no circuito varia da mesma maneira que a f.e.m. induzida - é igual a zero na posição de zero grau e cresce até um máximo a 90°. O ponteiro do medidor de corrente sofre deflexão para a direita entre as posições "A" e "B", indicando que a corrente na carga está passando no
sentido mostrado.
O sentido da corrente e a polaridade de f.e.m. induzida dependem do sentido do campo magnético e do sentido de rotação da armadura. A forma de onda mostra a variação da tensão nos terminais do gerador elementar desde a posição "A" até a posição "B". Com a continuação do movimento da espira, da posição "B" (90 graus) até a posição "C" (180 graus), os condutores que estavam cortando um número máximo de linhas de força na posição "B" passam a cortar um número cada vez menor, até que, na posição "C", eles novamente se deslocam paralelamente ao campo magnético e não mais cortam linhas de força. Conseqüentemente, a f.e.m. induzida decresce de 90 a 180 graus, e a intensidade da corrente segue as variações da tensão. De zero até 180 graus, o sentido do movimento dos condutores da espira no campo magné-
O GERADOR ELEMENTAR
tico não se alterou, e, portanto, a polaridade da f.e.m. induzida também não se alterou.
Quando a espira ultrapassa a posição de 180 graus e retorna à posição "A", o sentido do movimento dos condutores em relação ao campo é invertido. Agora, o condutor preto se move para ci-
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ma e o condutor branco para baixo. Como resultado, a polaridade da f.e.m. induzida e o sentido da corrente também são invertidos. A forma de onda da tensão de saída correspondente à rotação completa da espira B mostrada abaixo. Como você sabe, a f.e.m. gerada produzirá uma corrente alternada no circuito externo ligado aos terminais de saída do gerador. Se a armadura fosse girada 60 vezes por segundo, a freqüência da saída alternada seria 60 Hz. Os geradores de C.A. são conhecidos normalmente como alternadores. Quando a espira é girada com velocidade constante, a razão com que ela corta as linhas de força é máxima quando ela deixa a posição horizontal, e mínima quando a espira está na vertical. Isto faz com que a tensão de saída seja senoidal, porque a razão com que a espira corta as linhas de força é senoidal, e como você sabe é a razão de corte das linhas de força que determina a tensão de saída.
2.3 - O Comutador Como vimos, o gerador elementar e um gerador de C.A. Se desejamos uma saída alternada, então o gerador está completo. Mais adiante, neste volume, você estudará geradores práticos de C.A. No gerador elementar, a tensão alternada induzida na espira tem sua polaridade invertida toda vez que a espira passa pelos pontos de 0 e 180 graus. Nesses pontos, dá-se a inversão do sentido do movimento dos condutores da espira no campo magnético. Você sabe que a polaridade da f.e.m. induzida depende do sentido do movimento do condutor no campo magnético. Quando este sentido é invertido, a polaridade da f.e.m. induzida também é invertida. Como a espira continua a girar no campo, os seus condutores sempre estão gerando uma f.e.m. induzida alternada. Assim, a única maneira de se obter C.C. do gerador é converter a C.A. produzida em C.C. Uma das maneiras de se conseguir isto é por meio de uma chave inversora, ligada à saída do gerador. Esta chave pode ser ligada de tal maneira que inverta a polaridade da tensão de saída toda vez que a f.e.m. induzida for invertida dentro do gerador. A chave B mostrada no diagrama abaixo e deve ser invertida manualmente quando muda a polaridade da tensão. Quando isto é feito, a tensão aplicada à carga tem sempre a mesma polaridade e a corrente flui através do resistor sempre no mes-
mo sentido, embora seu valor aumente e diminua de acordo com a posição da espira.
Para converter a tensão alternada gerada em tensão contínua pulsativa, a chave deve ser invertida duas vezes em cada ciclo. Se o gerador tivesse uma saída de 60 Hz, a chave deveria ser invertida 120 vezes por segundo, para converter a C.A. em C.C. Evidentemente, seria impossível manusear a chave com tão grande rapidez. O problema foi resolvido de maneira simples, montando-se a chave no eixo giratório. Isto
O GERADOR ELEMENTAR
foi conseguido com a alteração dos anéis coletores, de modo que produzissem o mesmo efeito que a chave mecânica. Basicamente, um dos anéis coletores é eliminado, e o outro é fendido ao longo do seu eixo. Cada extremo da bobina é, então, ligado a um dos segmentos do anel fendido. Os segmentos são isolados, de modo que não haja contato elétrico entre eles, com o eixo ou com qualquer outra parte da armadura. O anel como um todo é conhecido como comutador, e sua ação de converter C.A. em C.C. é denominada comutação. As escovas ficam em posições opostas, e os segmentos do comutador são montados de modo que são postos em curto pelas escovas quando a espira passa pelos pontos de tensão zero; assim, não há corrente no curto circuito. Observe também que, à medida que a espira gira, cada condutor é ligado, por meio do comutador, primeiro à escova positiva e a seguir à escova negativa. Quando a espira que constitui a armadura gira, o comutador troca automaticamente a ligação
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de cada uma das extremidades da espira, de uma escova para a outra, toda vez que a espira completa meia rotação. Esta ação é exatamente igual à da chave inversora.
Como você verá mais adiante ao estudar os geradores de C.C., um dispositivo especial conhecido como retificador, que você já conhece do seu estudo dos medidores de C.A., também pode ser usado para converter C.A. em C.C. pulsativa.
2.4 - Conversão de C.A. em C.C. por meio do Comutador Analise a ação do comutador para converter a C.A. gerada em C.C. Na posição A (zero grau) a espira está perpendicular ao campo magnético e não há geração de f.e.m. em seus condutores (lados). Portanto, não existe corrente. Observe que as escovas estão em contato com ambos os segmentos do comutador, colocando efetivamente a espira em curto-circuito. Isto não cria problema, pois não há corrente. Quando a espira ultrapassa a posição A, o curto se desfaz. A escova preta está ligada ao condutor preto, enquanto que a escova branca está ligada ao condutor branco. À medida que a espira gira no sentido do movimento dos ponteiros de um relógio, da posição A para a posição B, a f.e.m. induzida começa a crescer a partir de zero, até que, na posição B (90 graus), ela é máxima. Como a corrente varia com a f.e.m. induzida, ela também terá a sua intensidade máxima a 90 graus. Continuando o movimento da espira, no mesmo sentido, de B para C, a f.e.m. induzida decresce, até que, na posição C (180 graus), torna-se novamente igual a zero. A forma de onda mostra a variação da tensão entre os terminais do gerador, de zero a 180 graus.
Observe que, na posição C, a escova preta esta deixando o segmento preto e entrando em contato com o segmento branco, enquanto que, ao mesmo tempo, a escova branca está deixando o segmento branco e entrando em contato com o segmento preto. Desta maneira, a escova preta está sempre em contato com o lado da espira que se
O GERADOR ELEMENTAR
move para baixo e a escova branca está sempre em contato com o lado que se move para cima. Como a corrente no condutor que se move para cima se dirige para a escova, a escova branca é o terminal negativo e a escova preta é o terminal positivo do gerador de C.C. Isto pode ser verificado facilmente com a regra da mão esquerda. Enquanto a espira continua girando, da posição C (180 graus), passando pela posição D (270 graus) e voltando à posição A (360 graus ou zero grau), a escova preta está ligada ao fio branco, que se move para baixo, e a escova branca está ligada ao condutor preto, que está subindo. Como resultado, a polaridade da forma de onda da tensão gerada, entre 180 e 360 graus, é a mesma da que foi gerada de zero a 180 graus. Observe que a corrente passa através do amperímetro sempre no mesmo sentido, embora o seu sentido na espira seja invertido em cada semiciclo. Portanto, a tensão de saída tem sempre a mesma polaridade, mas varia de valor, crescendo de zero até um máximo, caindo a zero, crescendo novamente até um máximo e, afinal, caindo outra vez a zero, sempre que a espira completa uma ro-
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tação. Como foi visto anteriormente, trata-se de uma C.C. pulsativa.
Verifica-se, assim, que a principal diferença entre os geradores elementares de C.A. e de C.C. reside na forma como é recolhida a tensão de saída.
2.5 - Melhorando a Saída de C.C. Antes de estudar os geradores, você só estava familiarizado com as tensões contínuas invariáveis produzidas, por exemplo, por pilhas. Agora você sabe que a saída de C.C. de um gerador elementar de C.C. é bastante irregular - uma tensão contínua pulsativa que varia, periodicamente, de zero até um máximo. Embora esta tensão pulsativa seja contínua, seu valor não é suficientemente constante para alimentar os equipamentos e aparelhos de C.C. Portanto, o gerador elementar de C.C. deve ser modificado, para que produza uma corrente contínua constante. Isto é conseguido com a adição de mais bobinas à armadura. A figura mostra um gerador cuja armadura tem duas bobinas (A e B) colocadas em ângulo reto. Observe que o comutador tem agora quatro segmentos conhecidos como lâminas do comutador. As lâminas opostas são ligadas aos terminais de uma mesma bobina. Na posição mostrada, as escovas estão ligadas à bobina branca (A), onde uma tensão máxima está sendo gerada porque ela está se movendo perpendicularmente ao campo. À medida que a armadura gira no sentido do movimento dos ponteiros de um relógio, a saída da bobina A começa a decrescer. Depois de um oitavo
de rotação (45 graus), as escovas passam para as lâminas pretas do comutador, cuja bobina (B) está começando a cortar as linhas do campo. A tensão de saída começa a crescer novamente, atinge um máximo a 90 graus e, então, volta a diminuir, quando a bobina B passa a cortar um número menor de linhas de força. A 135 graus, há uma nova comutação e as escovas são outra vez ligadas à bobina A. A forma de onda da tensão de saída está mostrada abaixo, durante toda uma rotação, superposta à tensão de uma única espira. Observe que a saída nunca e menor do que o valor Y. Observe também que a comutação ocorre nos pontos em que as tensões nas bobinas são iguais. Como há um curto momentâneo no comutador nesses instantes, o fato de que os pontos apresentam potenciais iguais significa que não haverá corrente nos dois segmentos do comutador. A variação da tensão fica, então, limitada à diferença entre Y e o máximo, e não entre zero e o máximo. Esta reduzida variação da tensão de saída de um gerador de C.C. é chamada ondulação ("ripple"). É claro que a tensão produzida pela armadura com duas bobinas se aproxima muito mais de uma C.C. constan-
O GERADOR ELEMENTAR
te do que a tensão produzida pelo gerador elementar.
Embora a saída do gerador com duas bobinas se aproxime muito mais de uma C.C. constante do que a saída do gerador com uma única bobina, ainda há ondulação demais para que possa ser aplicada a alguns equipamentos elétricos. Contudo, os geradores simples podem ser muito úteis em aplicações em que a ondulação não é importante (ou pode ser filtrada), como, por exemplo, em carregadores de baterias, equipamentos de soldagem, etc. Para tomar a saída verdadeiramente constante, a armadura é construída com um grande número de bobinas e o comutador é dividido também em um grande número de lâminas. As bobinas são dispostas de tal modo que sempre há algumas delas cortando as linhas de força do campo magnético em ângulo reto. Como resultado, a saída do gerador apresenta uma ondulação muito pequena e, para todas as finalidades práticas, pode ser considerada constante ou uma C.C. pura.
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um gerador comercial consiste de muitas espiras de fio ligadas em série. Como resultado, a tensão de saída é muito maior do que a gerada em uma bobina com apenas uma espira. Melhorando a Saída do Gerador
Ao estudar o funcionamento de um gerador elementar, você admitiu que a bobina girava em um campo magnético uniforme. Para se obter esse campo uniforme nos geradores práticos, são usadas peças polares côncavas e as bobinas são dispostas em um rotor (armadura) de ferro, de modo que o campo magnético fique limitado às áreas desejadas. Você deve ter notado a grande semelhança entre os princípios do gerador e do transformador, e tudo que você aprendeu anteriormente sobre os transformadores irá auxiliá-lo a compreender os geradores e os motores. Podemos aumentar o fluxo, e mesmo tomálo mais uniforme, usando mais do que um par de pólos. Dois pares de pólos são comuns, mas as grandes máquinas podem apresentar um número maior.
Também deve estar claro que o gerador pode apresentar formas diversas, desde que seja observado o principio dos condutores em movimento nos campos magnéticos. Mais adiante estudaremos algumas dessas diferentes configurações. A tensão induzida em uma bobina de uma espira não é muito grande. Para produzir uma tensão de saída elevada, cada bobina da armadura de
O GERADOR ELEMENTAR
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2.6 - Revisão de Gerador Elementar 1. F.E.M. INDUZIDA - A f.e.m. induzida é o resultado do movimento de um condutor em um campo magnético, cortando as linhas de força deste.
armadura gira 180 graus. A saída do gerador é C.A.
2. FATORES DE QUE DEPENDE A F.E.M. INDUZIDA a) Velocidade do condutor no campo magnético. b) Intensidade do campo magnético. c) Número de condutores (ou espiras). d) O sentido do movimento relativo determina a polaridade. 5. COMUTADOR - Uma chave inversora automática no eixo do gerador, a qual comuta as ligações da bobina às escovas, a cada meia rotação de um gerador elementar. Sua finalidade é proporcionar uma saída de C.C. O processo é chamado comutação.
3. GERADOR ELEMENTAR - Uma espira de fio girando em um campo magnético constitui um gerador elementar e é ligada a um circuito externo por meio de anéis coletores. A f.e.m. induzida produz corrente no circuito externo.
4. SAÍDA DO GERADOR ELEMENTAR - A f.e.m. e a corrente de um gerador elementar têm sua polaridade invertida toda vez que a espira da
6. GERADOR DE C.C. PRATICO - Para tornar uniforme a C.C. obtida de um gerador, usamos muitas bobinas na armadura e um número maior de segmentos para formar o comutador. Um gerador de C.C. prático apresenta uma tensão de saída sempre próxima do valor máximo e com apenas uma ligeira ondulação.
O GERADOR DE C.C .
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III - O GERADOR DE C.C. 3.1 - Construção do Gerador Até aqui você aprendeu os fundamentos da ação do gerador e a teoria de funcionamento dos geradores elementares de C.A. e de C.C. Agora você está pronto para estudar os geradores práticos e sua construção. Na verdade, os geradores de C.C. tornaram-se relativamente sem importância, devido à facilidade com que a C.A. pode ser convertida em C.C. Entretanto, a compreensão dos geradores de C.C. proporciona a base para o entendimento dos geradores e motores que serão estudados mais adiante neste volume. Existem vários componentes essenciais ao funcionamento de um gerador. Quando você puder reconhecer esses componentes e estiver familiarizado com suas funções, achará muito mais fácil o trabalho de localização de defeitos e de manutenção dos geradores. Todos os geradores - de C.A. ou de C.C. são constituídos por uma parte giratória e uma parte fixa. Na maioria dos geradores de C.C., a bobina de onde se obtém a saída fica sobre a parte giratória, designada como armadura. As bobinas que geram o campo magnético são montadas na parte fixa, denominada campo. Na maioria dos geradores de C.A. temos o oposto, isto é, o campo é montado sobre a parte girante - o rotor; e o enrolamento da armadura é disposto na parte fixa - o estator. Nos geradores modernos encontramos exceções para os casos acima, e temos um ímã per-
manente ou um simples núcleo de ferro como rotor, e o campo e as bobinas de saída montados no estator. Isto será estudado mais adiante.
Em todos os casos, há movimento relativo, de modo que uma bobina corta linhas de força magnéticas. Como resultado, uma f.e.m. e induzida na bobina, estabelecendo uma corrente na carga externa. Como o gerador fornece energia elétrica a uma carga, ele deve receber energia mecânica que faça o rotor girar e produzir eletricidade. O gerador converte energia mecânica em energia elétrica. Conseqüentemente, todos os geradores devem estar associados com máquinas que forneçam a energia mecânica necessária para acionar os rotores. Essas máquinas podem ser motores a vapor, a gasolina ou a diesel; motores elétricos; turbinas a vapor acionadas pelo calor resultante da combustão de carvão ou óleo, ou fissão nuclear; ou, ainda, turbinas acionadas por energia hidráulica.
3.2 - Construção dos Geradores de C.C. A relação entre os diversos componentes que constituem o gerador é mostrada na figura abaixo. No gerador apresentado, as bobinas de campo constituem o estator, e uma tampa (não mostrada) é presa por parafusos à carcaça do gerador. A armadura é introduzida entre as peças po-
lares e a tampa e, por fim, é montado o conjunto das escovas. O aspecto do gerador varia de acordo com o tamanho, tipo e fabricante, mas o arranjo geral das partes é o que foi visto. As principais partes do gerador de C.C. são descritas a seguir. Compare ca-
O GERADOR DE C.C .
da uma e sua função com o gerador elementar estudado anteriormente.
CARCAÇA: Também é conhecida como "yoke". É a parte da máquina que suporta os outros componentes. Também serve para completar o circuito magnético entre as peças polares. PEÇAS POLARES: As peças polares, como os núcleos dos transformadores, são feitas comumente com muitas lâminas de ferro de pequena espessura, montadas juntas e aparafusadas à parte interna da carcaça. As peças polares servem de suportes para as bobinas de campo e são projetadas para produzir um campo magnético concentrado. A laminação das peças polares reduz o efeito das correntes parasitas.
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ENROLAMENTOS DE CAMPO: Estes enrolamentos, quando montados nas peças polares, formam eletroímãs que produzem o campo magnético necessário para o funcionamento do gerador. O conjunto dos enrolamentos e peças polares é geralmente chamado de campo. Os enrolamentos são bobinas de fio isolado, enroladas de maneira a caber exatamente em torno das peças polares. A corrente que passa nessas bobinas gera o campo magnético. Em alguns geradores pequenos, imãs permanentes substituem as bobinas de campo. Um gerador pode ter apenas dois pólos ou um grande número de pares de pólos. Em qualquer destes casos, os pólos adjacentes são sempre de polaridades opostas. Os enrolamentos de campo podem ser ligados em série ou em paralelo ("shunt"). Os enrolamentos de campo em paralelo consistem em muitas espiras de fio muito fino, enquanto que os enrolamentos de campo em série são feitos com um número menor de espiras de fio relativamente grosso. TAMPAS: são aparafusadas às extremidades da carcaça e contêm os mancais para a armadura. A tampa de trás suporta somente o mancal, enquanto que a tampa da frente suporta também o conjunto das escovas. PORTA-ESCOVAS: Este componente suporta as escovas e seus fios de ligação. Os porta-escovas são presos à tampa da frente por meio de grampos. Em alguns geradores, os porta-escovas podem ser girados em tomo do eixo, para ajustagem. ARMADURA: Praticamente, em todos os geradores de C.C. a armadura gira entre os pólos do estator. Ela é constituída pelas seguintes partes: eixo, núcleo, enrolamento e comutador. O núcleo é laminado para reduzir as correntes parasitas e apresenta ranhuras onde são colocadas as espiras do enrolamento. As bobinas do enrolamento são, geralmente, pré-fabricadas em formas especiais e depois colocadas nas ranhuras do núcleo. O comutador é feito de lâminas de cobre, isoladas entre si e também do eixo com o emprego de mica ou plástico resistente ao calor. As lâminas são presas por meio de anéis, para evitar que deslizem sob a ação da força centrífuga. Elas apresentam pequenas ranhuras nas extremidades, onde são soldados os fios do enrolamento. O eixo suporta todo o conjunto e gira apoiado nos mancais existentes nas tampas. Há um pequeno entreferro entre a armadura
O GERADOR DE C.C .
e as peças polares para evitar atrito entre elas durante o funcionamento da máquina. Este espaço de ar é reduzido ao mínimo, para manter elevada a intensidade do campo magnético. ESCOVAS: Deslizam sobre o comutador e aplicam a tensão gerada à carga. As escovas são feitas comumente de carvão de boa qualidade, ou de uma mistura carvão-cobre, e são montadas nos porta-escovas. Elas podem se mover para cima e para baixo nos porta-escovas, para que possam seguir as irregularidades na superfície do comutador. Um condutor trançado flexível, conhecido
3.2.1 - Tipos de Armaduras As armaduras usadas nos geradores de C.C. são de dois tipos gerais: de anel e de tambor. No tipo de anel, as bobinas isoladas são enroladas em tomo de um anel de ferro. A intervalos regulares são tiradas derivações para as lâminas do comutador. Este tipo de armadura foi usado nos projetos primitivos de máquinas elétricas girantes e não é mais usado hoje em dia. A armadura tipo tambor é agora o tipo padrão. As bobinas isoladas são introduzidas em ranhuras do núcleo cilíndrico e suas extremidades são interligadas.
Em geral, as armaduras de C.C. usam bobinas pré-fabricadas. Estas bobinas são enroladas à máquina, com forma e número de espiras apropriados. A bobina completa é recoberta com fita isolante e colocada nas ranhuras da armadura como uma unidade. Esta colocação é feita de tal maneira que, em um dado instante, os dois lados da bobina acham-se sob pólos de nomes diferentes. Em uma máquina de dois pólos, os lados de uma mesma bobina ficam situados em pontos opostos do núcleo e, portanto, ficam sob pólos opostos. Os lados de uma bobina, em uma máquina de quatro pólos, são colocados em ranhuras situadas a uma distância igual a um quarto de rotação, e, assim, também ficam sob pólos de nomes opostos. Nas maquinas elétricas, o número de pólos especificados é realmente o número de pólos do campo.
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como rabicho, liga as escovas ao circuito externo.
Tipos de Enrolamentos da Armadura Os enrolamentos das armaduras tipo tambor podem ser de dois tipos: imbricado e ondulado. No enrolamento imbricado os dois extremos de cada bobina são ligados a lâminas adjacentes do comutador e o enrolamento tem o aspecto ilustrado abaixo. Na figura, a armadura aparece como se tivesse sido distendida horizontalmente, de modo que o extremo direito realmente se liga ao extremo esquerdo. O desenho corresponde a um gerador de quatro pólos.
O sentido da f.e.m. induzida em cada condutor está indicado no diagrama. Podemos observar melhor as ligações entre as bobinas que constituem o enrolamento imbricado no diagrama simplificado abaixo.
O GERADOR DE C.C .
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As ligações entre as bobinas são mostradas abaixo no desenho simplificado do enrolamento. Observe que neste caso o enrolamento é dividido apenas em dois ramos em paralelo. Você pode observar que em dois pontos as forças eletromotrizes em condutores adjacentes são convergentes: A e C; também em dois pontos as forças eletromotrizes em condutores adjacentes são divergentes: B e D. Se as escovas forem aplicadas a esses pontos, a corrente sairá do enrolamento da armadura em A e C, e entrará no enrolamento em B e D. As escovas com a mesma polaridade podem ser interligadas, e a armadura fica assim dividida efetivamente em quatro ramos em paralelo. Geralmente, o número de ramos em paralelo de um enrolamento imbricado e igual ao número de pólos. A f.e.m. nos terminais B igual à f.e.m. induzida em um dos ramos; a corrente entregue ao circuito externo é igual à soma das correntes nos ramos em paralelo. Por esta razão, o enrolamento imbricado é usado quando se requer corrente elevada. O outro tipo de enrolamento usado nas armaduras tipo tambor t o ondulado, ilustrado abaixo. Neste caso, as ligações são feitas de modo que o enrolamento passa diante de todos os pólos antes de retomar ao pólo onde teve início.
Se as escovas foram aplicadas aos pontos A e B e você seguir os dois caminhos do enrolamento de A para B, verá que a maioria das forças eletromotrizes de cada ramo atua no sentido de A para B. Apenas um pequeno número, em cada ramo, se opõe às outras, mas, se você observar a posição dos condutores, verificará que estão nos espaços entre pólos, de modo que as forças eletromotrizes induzidas nos mesmos são pequenas (no instante considerado).
Em geral, o enrolamento ondulado apresenta apenas dois caminhos em paralelo para a corrente e usa somente duas escovas, independentemente do número de pólos. A f.e.m. desenvolvida em um enrolamento ondulado é igual à induzida na metade do número total de condutores da armadura. Por esta razão, o enrolamento ondulado é usado quando se requer tensão elevada. A corrente entregue ao circuito externo é o dobro da corrente em cada condutor da armadura, porque as metades do enrolamento da armadura estão efetivamente em paralelo.
3.3 - Tensão de Saída do Gerador A tensão de saída de um gerador depende do número de condutores que cortam as linhas de força. Você sabe que a f.e.m. induzida e proporcional ao número de espiras, à densidade de fluxo e à velocidade com que as linhas são cortadas. Isto é verdade para qualquer gerador, e pode ser traduzido como E
ZN
108
onde E é a tensão de saída, o número de linhas de força por pólo, Z é o número de condutores da armadura que interagem com o campo e N é a velocidade da armadura em rotações por segundo (rps). A constante 108 (100.000.000) é usada para que o resultado seja obtido em volts. Lembre-se de que uma única espira tem dois condutores atuantes, de modo que Z não é apenas o número de espiras entre duas lâminas do comutador.
O GERADOR DE C.C .
Exemplo: Suponha um gerador de 4 pólos, com 440 condutores na armadura e 106 (1.000.000) linhas de força, girando a 3.000 rpm (50 rps); a tensão de saída seria 10 6 x440 x50 E 220 volts 8 10 Como cada condutor efetivo da armadura está em paralelo diante de uma peça polar, e existem quatro pólos, a corrente de carga por condutor da armadura é um quarto da corrente total. Se a corrente de carga fosse 1.000 ampères, a corrente no
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condutor da armadura seria 1000 250 amperes 4
3.4 - Tipos de Geradores de C.C. Os campos da maioria dos grandes geradores de C.C. são eletromagnéticos. Campos produzidos por ímãs permanentes também são usados em pequenos geradores. Para produzir um campo eletromagnético constante para um gerador, as bobinas de campo devem ser ligadas a uma fonte de tensão contínua. A corrente contínua nas bobinas de campo é chamada corrente de excitação e pode ser fornecida por uma fonte separada ou obtida da própria saída de C.C. do gerador. Quando o campo é alimentado com corrente de uma fonte independente, o gerador é conhecido como de excitação independente; entretanto, se parte da saída do gerador é usada para proporcionar a corrente do campo, ele é chamado autoexcitado. No gerador auto-excitado, as bobinas de campo podem ser ligadas em série com as bobinas da armadura (tipo série); em paralelo com as bobinas da armadura (tipo "shunt" ou derivação); ou o campo pode ter dois enrolamentos, um em série e o outro em paralelo com as bobinas da armadura ("compound" ou composto). Os símbolos representados abaixo são usados para representar a armadura e as bobinas de campo nos diversos circuitos de geradores.
Os geradores de C.C. com excitação independente têm dois circuitos externos: o circuito de campo, que consiste das bobinas de campo ligadas a uma fonte de C.C. separada, e o circuito da armadura, que consiste do enrolamento da armadura e da resistência de carga. (Quando duas ou mais bobinas de campo são ligadas em série, elas são representadas por um único símbolo.) A figura abaixo mostra os dois circuitos de um gerador com excitação independente e os sentidos das correntes nos mesmos.
3.5 - Geradores de C.C. com Excitação Independente Em um gerador de C.C. com excitação independente, o campo é independente da armadura porque recebe corrente de outro gerador (excitador), de um amplificador ou de uma bateria. O campo com excitação independente possibilita o controle da tensão de saída do gerador, porque uma variação na intensidade do campo altera o valor da tensão induzida. Assim, com pequenas vari-
ações na corrente do campo obtém-se grande variação na tensão (e na corrente) na carga. O gerador com excitação independente é usado freqüentemente em sistemas automáticos de controle de motores. Nesses sistemas, a corrente do campo é controlada por um amplificador, e a saída do gerador fornece a corrente que faz funcionar um motor de C.C. O motor pode ser usado
O GERADOR DE C.C .
para acionar uma máquina a velocidade constante, movimentar uma antena de radar ou fornecer energia a qualquer outra carga pesada.
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proporcional a velocidade. A saída do tacômetro é usada de modo que, quando a velocidade aumenta, a corrente do campo diminui - reduzindo assim a saída do gerador e diminuindo a velocidade do motor. Desta maneira, a velocidade do motor pode ser mantida constante.
Algumas vezes, a informação sobre a velocidade do motor é realimentada por meio de um pequeno gerador (conhecido como tacômetro), ligado ao eixo do motor, o qual gera uma tensão
3.6 - Geradores de C.C. Auto-Excitados Os geradores auto-excitados usam uma parte de sua própria saída para fornecer corrente de excitação ao campo. Estes geradores são classificados de acordo com o tipo de ligação entre o campo e a armadura. Um gerador série tem as suas bobinas de campo ligadas em série com o enrolamento da armadura, de modo que toda a corrente da armadura passa pelo campo e pela carga. Quando o gerador não está ligado a uma carga, o circuito está incompleto e não há corrente para excitar o campo. O campo série tem relativamente poucas espiras de fio grosso. As bobinas de campo de um gerador "shunt" ou derivação são ligadas em paralelo com o circuito da armadura. Apenas uma pequena parte da corrente da armadura passa pelas bobinas de campo; o restante passa pela carga. Como o campo "shunt" e a armadura formam um circuito fechado independente da carga, o gerador é excitado mesmo quando sem carga. O campo em paralelo é constituído por muitas espiras de fio mais Fino. O gerador de excitação composta ("compound") tem um campo em série e um campo em paralelo, formando um circuito misto. Existem duas bobinas em cada uma das peças polares, uma delas ligada em série e a outra em paralelo. As bobinas de campo em paralelo são excitadas por uma parte da corrente da armadura, enquanto que a corrente total da carga passa pelas bobinas em série. Portanto, quando a carga aumenta, a intensidade do campo em série também aumenta.
Quase todos os geradores de C.C. em uso são controlados por realimentação ou são diretamente do tipo auto-excitado. Entretanto, se a excitação do campo depende da corrente da armadura e só há corrente induzida no enrolamento da armadura quando esta se move em um campo magnético, você deve estar querendo saber como é que a tensão do gerador pode ser desenvolvida. Em outras palavras, se não há campo para começar (pois não ha corrente no enrolamento de campo), como pode o gerador produzir uma f.e.m.? Na realidade, os pólos de campo retêm uma certa quantidade de magnetismo, chamada magnetismo remanescente ou residual, resultante do seu uso anterior. Quando o gerador começa a girar, existe um campo magnético inicial que, embora muito fraco, pode induzir uma f.e.m. na armadura. Esta f.e.m. induzida produz corrente através
O GERADOR DE C.C .
das bobinas de campo, reforçando o campo magnético inicial e intensificando o magnetismo total. Este acréscimo no fluxo, por sua vez, dá lugar a uma f.e.m. maior, que novamente aumenta a corrente nas bobinas de campo. Esta ação continua até que a máquina atinge a sua intensidade de campo normal. Todos os geradores auto-excitados funcionam desta maneira. O tempo de crescimento da tensão é normalmente inferior a 30 segundos. O gráfico mostra como crescem a tensão de saída e a corrente de excitação em um gerador derivação ("shunt"). Lembre-se de que a saída de um gerador é energia elétrica. Um gerador sempre deve ser acionado por algum meio mecânico - a máquina acionadora. O tempo de crescimento da tensão tem
3.6.1 - O Gerador de C.C. Auto-Excitado em Série No gerador série, a armadura, as bobinas de campo e o circuito externo são todos ligados em série. Isto quer dizer que a corrente na armadura e no circuito externo é a mesma que passa nas bobinas de campo. Como a corrente de excitação, que também é a corrente na carga, tem grande intensidade, o campo magnético de intensidade adequada pode ser obtido com um número de espiras relativamente pequeno no enrolamento de campo. A figura mostra o esquema de um gerador série de C.C. típico. Quando não há carga, não pode haver corrente e, assim, uma f.e.m. muito pequena C induzida na armadura; o valor exato depende da intensidade do magnetismo remanescente. Quando uma carga é ligada, estabelece-se uma corrente, a intensidade do campo aumenta e, conseqüentemente, a tensão entre os terminais também cresce. À medida que a corrente de carga aumenta, a intensidade do campo também aumenta, gerando uma tensão maior no enrolamento da armadura. Logo se atinge um ponto (A) onde qualquer novo aumento de corrente de carga não
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relação exclusiva com a saída elétrica, e não com a parte mecânica.
provoca um aumento correspondente de tensão, porque o campo magnético atinge o seu ponto de saturação.
O gerador série não é usado comumente, mas o fato de sua tensão de saída ser proporcional à corrente em sua armadura toma este tipo de gerador útil em algumas aplicações especiais.
3.6.2 - O Gerador de C.C. Auto-Excitado Tipo "Shunt" O gerador "shunt" tem o seu enrolamento de cionamento, o crescimento da tensão entre os seus campo ligado em paralelo com a armadura. Porterminais, até o valor nominal, é muito rápido, tanto, a corrente nas bobinas de campo é determiporque existe uma corrente de excitação mesmo nada pela tensão entre os terminais e pela resisquando o circuito externo está aberto. A medida tência do campo. O enrolamento do campo que a carga solicita mais corrente, a tensão entre "shunt" tem um grande número de espiras e, poros terminais diminui, devido ao aumento da queda tanto, requer uma corrente relativamente fraca pade tensão na armadura que se subtrai da tensão gera produzir o fluxo necessário. rada, e assim se reduz a intensidade do campo. Quando se põe um gerador "shunt" em funAs figuras abaixo mostram o esquema de
O GERADOR DE C.C .
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um gerador "shunt" e a sua curva característica. Observe que a queda de tensão entre os terminais, quando a corrente de carga aumenta na zona normal de funcionamento (A-B), desde a condição sem carga até a condição de plena carga, é relativamente pequena (tipicamente 5% a 10%). Como conseqüência, usa-se este gerador quando se dese ja uma tensão praticamente constante, independente das variações da carga. Se a corrente fornecida pelo gerador ultrapassar o ponto B, a tensão entre os terminais começará a cair rapidamente devido à saturação e a outros efeitos. A tensão entre os terminais de um gerador "shunt" pode ser controlada pela variação da resistência de um reostato ligado em série com as bobinas de campo.
3.6.3 - O Gerador Auto-Excitado "Compound" O gerador "compound" (excitação composta) é uma combinação dos geradores série e "shunt". Apresenta dois conjuntos de bobinas de campo: um em série com a armadura e o outro em paralelo com ela. Uma bobina em paralelo e uma bobina em série são sempre montadas em uma mesma peça polar e, algumas vezes, com um revestimento comum. Quando o campo série é ligado de maneira a reforçar o campo em paralelo, o gerador é chamado de "compound" cumulativo. Quando o campo série se opõe ao campo em paralelo, o gerador é chamado de "compound" diferencial. Como já foi explicado, os campos também podem ser de longa derivação ou de curta derivação, conforme o campo "shunt" esteja ligado em paralelo com o campo série e a armadura ou somente com a armadura. As características de funcionamento dos dois tipos de ligação do campo "shunt" são praticamente iguais.
Os geradores de excitação composta cumulativos foram projetados para eliminar a queda da
tensão de saída dos geradores "shunt", quando a carga é aumentada. Esta queda de tensão é indese jável em aplicações em que se requer tensão constante. A adição do campo em série, que aumenta a intensidade do campo magnético total quando a corrente de carga aumenta, compensa a queda da tensão causada pela maior corrente na resistência da armadura. Desta maneira, consegue-se uma saída com tensão praticamente constante. As características de tensão do gerador "compound" cumulativo dependem da razão entre o número de espiras do enrolamento "shunt" e o número de espiras do enrolamento série. Se o enrolamento em série é feito de tal modo que a tensão de saída é praticamente constante para todas as cargas na região de funcionamento, o gerador é plano-"compound". Nestas máquinas, geralmente, a tensão na condição sem carga é igual à tensão na condição de plena carga e as tensões nos pontos intermediários são ligeiramente maiores. Os geradores de excitação plano"compound" são usados para fornecer uma tensão constante a cargas colocadas a uma pequena distância do gerador. Um gerador hiper-"compound" tem um número tal de espiras em série que a tensão na condição de plena carga é maior do que na condição sem carga. Estes geradores são usados quando a carga está distante do gerador; o acréscimo na tensão de saída compensa a queda de tensão nos fios da linha de alimentação, mantendo uma tensão constante na carga. Quando a tensão nominal é menor do que a tensão sem carga, diz-se que o gerador é sub-
O GERADOR DE C.C .
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"compound'. Estes geradores são raramente usados. A maioria dos geradores "compound" cumulativos é do tipo hiper-"compound". O grau de "compoundagem" é regulado por um resistor de baixa resistência (resistor desviador) ligado aos terminais do campo série. A tensão de saída pode ser controlada pela variação do reostato de campo ligado em série com o campo "shunt". Nos geradores "compound" diferenciais, o campo "shunt" e o campo série estão em oposição. Portanto, o campo diferencial, ou resultante, diminui de intensidade e a tensão cai rapidamente, quando a corrente de carga aumenta. As curvas características dos quatro tipos de
geradores de excitação composta são mostradas abaixo:
3.7 - Regulação de Tensão Como você sabe, a tensão de saída de um gerador não é normalmente constante. A curva de um gerador que mostra o valor da tensão de saída em função da corrente de carga é conhecida como curva de regulação. A regulação de tensão é a diferença entre as tensões de saída de um gerador sem carga e com plena carga dividida pela tensão com plena carga; a tensão com plena carga é a tensão de saída nominal. A regulação de tensão costuma ser expressa como regulação percentual. Regulação % onde:
V SC V PC V PC
120 107 x100 12% de regulação 107 As características de regulação de tensão dos geradores são muito importantes porque sempre esclarecem se eles podem ser usados em determinadas aplicações. Ao prosseguir com o seu estudo de eletricidade, você precisará calcular a regulação de tensão, e, assim, lembre-se da fórmula acima.
x100
V SC Tensão sem carga V PC Tensão a plena
carga
Exemplo: Suponha um gerador "compound" com uma tensão de saída de 120 volts, com a corrente 0, e de 107 volts com plena carga. A regulação percentual seria:
3.8 - Comutação nos Geradores de C.C. Quando você estudou o gerador de C.C. elementar, aprendeu que as escovas são colocadas de tal maneira que põem em curto a bobina da armadura, quando ela não está cortando o campo magnético. Neste instante não há corrente e, portanto, não há centelhamento nas escovas (que estão passando de uma das lâminas do comutador para a seguinte). Se deslocarmos as escovas alguns graus, elas porão a bobina em curto quando ainda estiver cortando o campo magnético.
Como conseqüência, uma tensão será indu-
O GERADOR DE C.C .
zida na bobina em curto e a corrente de curtocircuito causará centelhamento nas escovas. Esta corrente de curto-circuito pode danificar seriamente as bobinas e queimar o comutador. Esta situação pode ser remediada pela rotação das escovas, de maneira que a comutação ocorra quando o plano da bobina está perpendicular ao campo. Os geradores de C.C. funcionam eficientemente quando o plano da bobina forma ângulo reto com as linhas do campo, no momento em que as escovas colocam a bobina em curto. Este plano em ângulo reto com o campo é conhecido como
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plano de comutação ou plano neutro. As escovas colocam a bobina em curto quando não há corrente na mesma.
3.9 - Reação da Armadura nos Geradores de C.C. Considere o funcionamento de um gerador de C.C. simples de dois pólos. Na figura abaixo, a armadura aparece em forma simplificada, com a seção transversal da bobina apresentada por pequenos círculos. Quando a armadura gira no sentido do movimento dos ponteiros de um relógio, a corrente no lado esquerdo da bobina sai da página, e no lado direito entra na página. Também está representado o campo magnético produzido em tomo de cada lado da bobina. Agora existem dois campos: o campo principal e o campo em redor de cada lado da bobina. A figura mostra como o campo da armadura distorce o campo principal e como o plano neutro é deslocado no sentido da rotação. Entretanto, você aprendeu que as escovas devem por a bobina em curto, quando ela estiver no plano neutro. Se as escovas forem mantidas no plano neutro original, elas colocarão em curto bobinas com tensão induzida. Conseqüentemente, haverá centelhamento entre as escovas e o comu-
tador.
Para evitar isto, as escovas devem ser deslocadas para o novo plano neutro. O efeito da armadura ao deslocar o plano neutro é chamado de reação da armadura.
3.10 - Enrolamentos Compensadores e Interpolos O simples deslocamento das escovas para a posição avançada do plano neutro não resolve completamente os problemas da reação da armadura. O efeito da reação da armadura varia com a corrente de carga. Portanto, sempre que varia a corrente de carga, o plano se desloca e a posição das escovas deve ser mudada. Nas máquinas pequenas, os efeitos da reação da armadura são diminuídos pelo deslocamento mecânico das escovas. Nas máquinas maiores são usados meios mais aperfeiçoados para eliminar a reação da armadura, tais como enrolamentos
compensadores e interpolos (ou pólos de comutação). Os enrolamentos compensadores consistem de uma série de bobinas embutidas em ranhuras na superfície dos pólos (sapatas polares). Estas bobinas são ligadas em série com a armadura, de modo que o campo que produzem cancela o efeito da reação da armadura, para todos os valores da corrente da armadura. Como resultado, o plano neutro fica estacionário e as escovas, uma vez a justadas, não têm que ser deslocadas. Outra maneira de reduzir ao mínimo os efei-
O GERADOR DE C.C .
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tos da reação da armadura é o uso de pequenos pólos auxiliares chamados interpolos, entre os pólos principais. Os interpolos são enrolamentos com poucas espiras de fio grosso, ligados em série com a armadura. O campo que eles geram anula a reação da armadura para todos os valores da corrente de carga, melhorando a comutação. Os interpolos e os enrolamentos compensadores são ligados em série com a carga, de modo que o cancelamento é correto para todas as cargas.
3.11 - Revisão de Geradores de C.C. As principais partes de um gerador de C.C. são a armadura, os enrolamentos de campo, as escovas, o comutador e a carcaça com os mancais. Você deve fazer uma revisão do que estudou sobre elas nesta seção, de modo a ficar familiarizado com as mesmas e ser capaz de identificá-las em um gerador real. Você deve também estudar os desenhos dos enrolamentos imbricado e ondulado, para compreender como e porque são usados.
1. CLASSIFICAÇÃO DOS GERADORES - Os geradores de C.C. são classificados de acordo com o tipo de excitação do campo usado. Os geradores com excitação independente usam uma fonte externa de corrente continua para produzir os campos. Os geradores auto-excitados usam suas próprias saídas para excitar o campo. Os geradores auto-excitados são classificados ainda de acordo com as ligações dos seus enrolamentos de campo.
2. REAÇÃO DA ARMADURA - A corrente no enrolamento da armadura gera um campo magnético perpendicular ao dos pólos do campo do gerador. O campo total resultante desloca o plano neutro.
3. ENROLAMENTOS COMPENSADORES E INTERPOLOS - Os enrolamentos compensadores são enrolamentos adicionais na superfície dos pólos; eles conduzem a corrente da armadura, mas com polaridade oposta, em oposição ao campo da armadura. Os interpolos são pequenos pólos colocados entre os pólos principais, para produzir um campo oposto ao campo da armadura. Ambos são destinados a corrigir a reação da armadura.
4. REGULAÇÁO - Exprime a estabilidade da tensão de saída em função das variações de carga.
O MOTOR DE C.C.
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IV - O MOTOR DE C.C. 4.1 - Conversão de Energia Elétrica em Energia Mecânica Os motores e os geradores de C.C. têm essencialmente os mesmos componentes e são muito semelhantes externamente. Diferem apenas quanto à maneira como são usados. Em um gerador, a energia mecânica movimenta a armadura, fazendo o seu enrolamento cortar um campo magnético, e isto gera energia elétrica. Em um motor, a energia elétrica gera um campo que faz girar os condutores da armadura, e esta, através de um sistema mecânico de correias ou engrenagens, movimenta uma carga mecânica. Um gerador converte energia mecânica em energia elétrica. Um motor converte energia elétrica em energia mecânica.
4.2 - Principio de Funcionamento do Motor de C.C. Dois cientistas do século dezenove, o russo Heinrich Lenz e o inglês Sir John Ambrose Fleming, descobriram fatos que o ajudarão a entender o principio de funcionamento do motor de C.C. Quando um condutor se desloca em um campo magnético, nele aparece uma f.e.m. induzida; o sentido da f.e.m. - e da corrente, se o condutor for parte de um circuito completo - é tal que se opõe a causa que o produziu. Esta regra, verdadeira para qualquer corrente induzida, é conhecida como lei de Lenz, como já foi estudado. Fleming descobriu um método prático para a determinação do sentido de rotação de um motor, quando o sentido da corrente é conhecido. Verificou que ha uma relação definida entre o sentido do campo magnético, o sentido da corrente no condutor e o sentido para o qual o condutor tende a se mover. Esta relação é conhecida como regra da mão direita para motores. Se o polegar, o indicador e o dedo médio da mão direita forem dispostos em ângulos retos, de
tal modo que o indicador aponte no sentido das linhas de força do campo magnético e o dedo médio indique o sentido da corrente no condutor, o polegar indicará o sentido do movimento do condutor. Evidentemente, se você não conhecer o sentido do campo magnético, mas souber o sentido do movimento do condutor e o da corrente, o indicador dirá qual o sentido do campo magnético, desde que você coloque a mão na posição correta.
O MOTOR DE C.C.
Fleming foi também o primeiro a apresentar uma regra para lembrar o sentido da f.e.m. induzida em um gerador. Quando ele propôs as regras, era usada a convenção mais antiga para o sentido da corrente; alguns livros continuam a usar a convenção mais antiga e se referem a essas regras como regra da mão direita para geradores e regra da mão esquerda para motores. Como você sabe, ha um campo magnético em tomo de um condutor que conduz corrente. Quando o condutor é colocado em outro campo magnético, os dois campos interagem. Como os campos magnéticos nunca se cruzam, as linhas dos dois campos se acumulam em um lado e se anulam mutuamente em outro lado, produzindo, respectivamente, campos fortes ou fracos.
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há corrente no condutor e o movimento é produzido. O motor elementar de C.C. é construído de maneira semelhante ao gerador elementar de C.C. Ele consiste de uma espira de fio que gira entre os pólos de um ímã. As extremidades da espira são ligadas a lâminas do comutador que, por sua vez, fazem contato com as escovas; estas têm fios de ligação que vão ter a uma fonte de C.C. Lembre-se da ação de um condutor que conduz corrente dentro de um campo magnético e compare-a com a do motor elementar de C.C. Com a espira na posição 1, a corrente que passa através dela toma a sua parte superior um pólo norte e a sua parte inferior um pólo sul, de acordo com a regra da mão esquerda. Os pólos magnéticos da espira são repelidos pelos pólos iguais do campo e são atraídos pelos pólos opostos do campo. Como resultado, a espira gira no sentido do movimento dos ponteiros de um relógio, tentando aproximar os pólos de nomes opostos. Quando a espira descreve 90 graus, até a posição 2, dá-se a comutação e a corrente na espira muda de sentido. Em conseqüência, o campo magnético gerado pela espira também é invertido. Agora, pólos de nomes iguais estão próximos e, portanto, se repelem. A espira continua a girar, tentando aproximar novamente os pólos de nomes contrários.
Lembre-se de que as linhas tendem a se repelir. Assim, as linhas sob o condutor mostrado acima, ao se repelirem, tendem a deslocar o condutor para cima ou, quando o sentido da corrente no condutor é invertido, a deslocá-lo para baixo. O movimento do condutor faz com que ele corte o campo magnético do imã. Deste modo, aparece uma f.e.m. no condutor, a qual, de acordo com a lei de Lenz, tende a se opor ao movimento que a produziu. Isto significa que a f.e.m. induzida terá polaridade oposta a da f.e.m. aplicada externamente ao condutor; por este motivo é conhecida como força contra-eletromotriz. A força contra-eletromotriz (f.c.e.m.) nunca e tão grande como a f.e.m. aplicada; a diferença entre a f.e.m. aplicada e a f.c.e.m. é sempre tal que
4.3 - Ação do Comutador em um Motor de C.C. É evidente que o comutador desempenha um papel muito importante no funcionamento do motor de C.C. Ele faz com que a corrente na espira
seja invertida, no momento em que pólos de nomes contrários se defrontam. Isto causa uma inversão na polaridade do campo; há repulsão em
O MOTOR DE C.C.
lugar de atração e a espira continua a girar. Em uma armadura com muitas bobinas, o seu enrolamento age como uma única bobina cujo eixo é perpendicular ao campo magnético principal e cuja polaridade é mostrada abaixo. O pólo norte do campo da armadura é atraído pelo pólo sul do campo principal. Esta atração exerce uma força de torção que faz a armadura girar no sentido do movimento dos ponteiros de um relógio. Desta maneira, uma força de giro (torque ou con jugado) regular e contínua atua sobre a armadura, graças ao grande número de bobinas. Como existem muitas bobinas próximas, o campo resultante da armadura parece estacionário. Observe que a comutação em um gerador ocorre quando a bobina da armadura esta alinhada com o campo, isto é, quando a f.e.m. é zero. Em um motor, a comutação ocorre numa posição perpendicular ao campo, no ponto em que a inversão
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do campo não produz variação líquida do torque, porque os campos da armadura são simétricos nos campos externos.
4.4 - Reação da Armadura Como existe corrente nos condutores da armadura do motor, há um campo magnético em tomo da armadura. O campo da armadura distorce o campo principal, isto é, o motor apresenta uma reação da armadura, tal como acontece no gerador. Entretanto, o sentido da distorção causada pela reação da armadura do motor e oposto ao que se observa no gerador. No motor, a reação da armadura desloca o plano neutro de comutação no sentido contrário ao de rotação. Para compensar o efeito da reação da armadura em um motor, as escovas devem ser deslocadas para trás, até que o centelhamento seja mínimo. Neste ponto, a bobina posta em curto-circuito pelas escovas está no plano neutro e não há f.e.m. induzida nela. A reação da armadura também pode ser corrigida por meio de enrolamentos compensadores e interpolos, como no gerador, de modo que o plano neutro fique sempre exatamente no
meio do espaço entre os pólos principais. Assim, as escovas não têm de ser movidas depois de corretamente ajustadas.
4.5 - Torque do Motor de C.C. A força sobre um condutor que conduz corrente dentro de um campo magnético é proporcional à grandeza do campo, expressa pela sua densidade de fluxo, à intensidade da corrente no condutor e ao comprimento da parte deste submetida ao campo (comprimento ativo do condutor). A força F pode ser calculada com a expressão
F .i.l. sen
onde a força (F) é obtida em newtons (N), a densidade de fluxo ( ) é dada em teslas (T), a intensidade da corrente (i) em ampères (A) e o comprimento (l) em metros (m). é o ângulo formado pela direção do movimento dos elétrons no condu-
O MOTOR DE C.C.
tor com a direção do campo.
Exemplo: Se você tivesse um condutor de 30 cm de comprimento, percorrido por 60 A, formando ângulo reto com um campo magnético de 0,1 tesla, qual seria a força sobre ele? F = 0,1 x 60 x 0,30 x 1 = 1,8 N Se o condutor fosse um dos lados da bobina de uma armadura, a força total seria o dobro. O torque, T, mede a capacidade de giro de um motor e é proporcional à força vezes o número de condutores, N, vezes a distância do centro das
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rotações do condutor, R. É obtido em metros.newtons (mN): T = NFR. Numa bobina, N = 2, e como nem todos os condutores são centralizados no campo magnético, usamos o raio médio, que corresponde a 0,637 vezes o raio real (máximo). Assim, num motor real o torque é proporcional à intensidade do campo magnético, à corrente na armadura e ao raio efetivo da armadura, ou T = k. .ia, onde k é uma constante que inclui o número de condutores, o número de ramos, o raio da armadura, etc., ia é a corrente na armadura e é o fluxo.
4.6 - Potência e Eficiência do Motor de C.C. Sabemos que é realizado um trabalho quando uma força atua em uma certa distância; a unidade de trabalho é o joule (J). Vimos também que potência é o trabalho realizado na unidade de tempo, e que é medida em watts. Para medir a potência mecânica usamos comumente outras duas unidades muito conhecidas: o cavalo-vapor (CV) e o "horsepower" (H.P.). O cv corresponde a 736 watts e o H.P. corresponde a 746 watts. Um ponto da armadura (rotor) de um motor percorre uma distância igual à circunferência do rotor em cada rotação. Portanto, sua velocidade, v, é igual a v = 2..R.N onde R é o raio do rotor e N é o número de rotações por segundo (rps). A potência poderia ser determinada com a
expressão P =Fv ou P = 2. .R.N.F watts e como T = RF, poderíamos escrever P = 2..T.N watts (para T em N.m) A eficiência do motor é a relação entre a potência de saída (Ps) e a potência de entrada (Pe): Eficiência
Ps Pe
x100
Exemplo: Se um motor tivesse uma entrada de 10 amperes com 120 volts e sua potência de saída fosse de 1 horsepower, sua eficiência seria de Eficiência
Ps Pe
x100
1 x746 x100 62% 120 x10
4.7 - Força Contra-eletromotriz (F.c.e.m.) Quando a armadura de um motor de C.C. gira, as suas bobinas cortam as linhas de força do campo magnético e uma força eletromotriz é induzida nas mesmas. Como esta tensão induzida se opõe à tensão aplicada aos terminais do motor, é chamada de força contra-eletromotriz (f.c.e.m.). Esta força contra-eletromotriz depende dos mesmos fatores que a f.e.m. produzida por um gerador: da velocidade e do sentido de rotação, e também da intensidade do campo magnético. Quanto mais intenso for o campo e quanto maior a velocidade de rotação, maior será a f.c.e.m. Contudo, a f.c.e.m. será sempre menor que a tensão aplicada,
devido a queda de tensão interna causada pela resistência das bobinas da armadura. A figura representa a f.c.e.m. como se fosse uma bateria com polaridade oposta à da tensão aplicada. A resistência total da armadura é representada simbolicamente por um único resistor. Na realidade, o que causa a passagem da corrente atrav6s das bobinas da armadura é a diferença entre a tensão aplicada ao motor (E a) e f.c.e.m. (Eb). Assim, a tensão verdadeiramente efetiva na armadura é Ea - Eb. Esta tensão efetiva determina o valor da corrente na armadura. Como I = E/R, de acordo com a Lei de Ohm, no caso do
O MOTOR DE C.C.
motor de C.C. temos Ia = (E a - Eb)/Ra. Além disto, de acordo com a segunda lei de Kirchhoff, a soma das quedas de tensão em qualquer circuito fechado deve ser igual a soma das tensões aplicadas. Portanto, temos Ea = Eb + IaRa.
A resistência interna da armadura de um motor de C.C. é comumente muito baixa, algumas vezes menor do que um ohm. Se esta resistência fosse a única limitação à corrente na armadura, a corrente seria muito intensa. Por exemplo, se a resistência da armadura fosse de 1 ohm e a tensão aplicada de 230 volts, a corrente resultante na armadura, de acordo com a lei de Ohm, sena I a = Ea /Ra = 230/1 = 230 ampères. Esta corrente poderia queimar a armadura. Contudo, a f.c.e.m. se opõe à tensão aplicada e limita o valor da corrente na armadura. Se a f.c.e.m. fosse de 220 volts, a tensão efetiva que
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agiria sobre a seria a diferença entre a tensão aplicada aos seus terminais e a f.c.e.m.: 230 - 220 = 10 volts. A corrente na armadura seria, então, somente 10 ampères: Ia = (Ea - Eb)/Ra = 10/1 = 10 ampères.
Na partida do motor, quando a f.c.e.m. é muito pequena para limitar efetivamente a corrente, uma resistência temporária, o resistor de partida, deve ser ligada em série com a armadura, para manter a corrente dentro de limites seguros. A medida que cresce a velocidade do motor, a f.c.e.m. aumenta e a resistência pode ser reduzida gradualmente, possibilitando aumentos posteriores de velocidade e de f.c.e.m. Na velocidade normal de funcionamento, a resistência de partida e totalmente retirada do circuito.
4.8 - Motor "Shunt" Como nos geradores, a ligação do campo dos motores pode ser em série, em paralelo ("shunt") ou a ligação pode ser composta ("compound"). O torque desenvolvido por um motor é causado pela força resultante da interação do campo magn6tico em tomo das bobinas da armadura com o campo magnético principal. O torque desenvolvido, portanto, varia com a intensidade do campo principal e da corrente da armadura. Em um motor "shunt" o campo é ligado diretamente aos terminais da linha e é, portanto, independente das variações de carga e da corrente na armadura. O torque desenvolvido varia com a corrente na armadura. Quando a carga do motor aumenta, sua velocidade diminui, reduzindo a
f.c.e.m., que tanto depende da velocidade como da intensidade de campo constante. A redução na f.c.e.m. permite um acréscimo na corrente da armadura, possibilitando assim um aumento do torque, necessário para movimentar a carga maior. Quando a carga do motor diminui, este aumenta sua velocidade; a f.c.e.m. aumenta, diminuindo a corrente na armadura e o torque desenvolvido pelo motor. Assim, qualquer variação da carga acarreta uma variação na velocidade, até que haja novo equilíbrio elétrico no motor, isto é, até que novamente E b + Ia Ra = Ea. A variação da velocidade, em um motor "Shunt", desde a condição sem carga até a condição de plena carga, é apenas de cerca de 10% da velocidade na condição sem
O MOTOR DE C.C.
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carga. Por esta razão, os motores deste tipo são considerados motores de velocidade relativamente constante. Quando se da a partida em um motor "shunt", a corrente de partida é baixa devido a resistência de partida adicionada, de modo que o torque de partida também é baixo. Normalmente, os motores "shunt" são usados quando se deseja velocidade constante com carga variável; e quando é possível dar partida no motor com pequena carga ou sem carga. O controle da velocidade desses motores será discutido mais adiante.
4.9 - Motor Série O motor série tem o seu campo ligado em série com a armadura e com a carga, como mostra a figura. A bobina de campo consiste de poucas espiras de fio grosso, e como toda a corrente da armadura passa por ela, a intensidade do campo varia diretamente com a corrente da armadura. Se a carga aumenta, a velocidade diminui, assim como a f.c.e.m.; isto faz com que a corrente aumente, possibilitando um torque maior, necessário para movimentar a carga maior. O motor série gira lentamente com cargas pesadas e muito rapidamente com cargas leves. Se a carga for retirada completamente, a velocidade aumentará perigosamente, podendo até despedaçar o motor, pois a corrente requerida será muito pequena e o campo muito fraco, de modo que o motor não poderá girar com suficiente velocidade para gerar uma f.c.e.m. capaz de restabelecer o equilíbrio. Os motores tipo série nunca devem funcionar sem carga, e raramente são usados com transmissão por correias, em que a carga pode ser removida.
Você também pode ver que os motores série são de velocidade variável, isto é, sua velocidade varia bastante com a variação de carga. Por esta razão, os motores deste tipo não são usados quando é necessária uma velocidade constante de funcionamento e nunca são usados quando a carga é intermitente (varia freqüentemente ou é aplicada e retirada durante o funcionamento do motor). O torque - a força de torção - desenvolvido por qualquer motor de C.C. depende da corrente da armadura e da intensidade do campo. No motor série, a própria intensidade do campo depende da corrente na armadura, de modo que o valor do torque desenvolvido depende duplamente da intensidade da corrente na armadura. Quando a velocidade do motor é baixa, a f.c.e.m. é conseqüentemente baixa e a corrente na armadura é intensa. Isto significa que o torque será muito grande quando a velocidade do motor for baixa ou nula, como na partida.
O MOTOR DE C.C.
Assim, o motor série apresenta torque de partida elevado. Por este motivo, o motor série de C.C. não deve ser posto em movimento sem carga. Se não houver torque de oposição na partida, o motor acelerara violentamente como vimos na página anterior. Existem serviços especiais que necessitam
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de um alto torque de partida e da alta aceleração que ele permite, tais como guindastes, ônibus e trens elétricos, etc. Os motores usados nestas máquinas são sempre motores tipo série, porque, nestes casos, as cargas são bastante altas na partida e diminuem quando as máquinas estão em movimento.
4.10 - Motor "Compound" Um motor "compound" é uma combinação de motor série e motor "shunt". O campo consiste de dois conjuntos separados de bobinas. Um deles, enrolado com muitas espiras de fio fino, é ligado em paralelo com a armadura e constitui o campo "shunt". O outro é o campo em série, enrolado com poucas espiras de fio grosso e ligado em série com armadura. As características do motor de excitação composta são uma combinação das características dos motores tipo série e "shunt". Os motores cujos campos em paralelo e em série se reforçam, são os mais comuns. Nestes motores, um aumento de carga diminui a velocidade e causa um grande aumento do torque. O torque de partida também é elevado. Eles têm a velocidade razoavelmente constante, excelente rendimento com cargas pesadas e um bom torque de partida. Nos motores "compound" diferenciais, o campo em série se opõe ao campo em paralelo, e o
campo total diminui quando a carga aumenta. Isto permite que a velocidade aumente com um aumento de carga, até um ponto seguro de funcionamento. O torque de partida é muito pequeno. Estes motores são raramente usados.
4.11 - Comparação das Características dos Motores de C.C. Regulação de Velocidade As características de funcionamento dos diferentes tipos de motores de C.C. podem ser resumidas com um gráfico que mostra como a velocidade varia com o torque, ou carga aplicada ao motor. Observe que a velocidade do motor "shunt" varia o mínimo à medida que aumenta o torque requerido pela carga. Por outro lado, a velocidade do motor série cai muito à medida que o torque requerido aumenta. A característica do motor "compound" cumulativo se situa entre as das máquinas série e "shunt". Observe que, quanto maior a "compoundagem" (isto é, quanto maior a percentagem de espiras em série em relação às espiras em paralelo), mais a atuação do motor se aproxima da de um motor série. O segundo gráfico mostra como o torque
desenvolvido varia com a corrente da armadura, para diferentes motores com a mesma potência nominal.
O MOTOR DE C.C.
A curva do torque para o motor "shunt" é uma linha reta porque o campo permanece constante e o torque varia diretamente com a corrente da armadura. As curvas para os motores série e "compound" mostram que, acima da plena carga ou corrente de operação normal, o torque desenvolvido é muito maior do que para o motor "shunt". Abaixo da corrente de plena carga, a intensidade do campo das máquinas série e "compound" não atingiu seu valor máximo; portanto, o torque desenvolvido é menor do que na máquina "shunt" A regulação de velocidade pode ser calculada, como a regulação de tensão, como uma per-
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centagem da velocidade com plena carga. Assim: Regulação Veloc. onde:
v SC v PC v PC
x100
v SC Velocidade sem carga v PC Velocidade a plena
carga
Exemplo: Se a velocidade de um motor sem carga é 1.600 rpm e a velocidade com plena carga é 1.500 rpm, a regulação de velocidade é: 1600 1500 x100 6,6% 1500
4.12 - Inversão do Sentido de Rotação do Motor O sentido de rotação de um motor depende do sentido do campo magnético e do sentido da corrente na armadura. A passagem da corrente por um condutor gera um campo magnético em torno dele. O sentido do campo magnético é determinado pelo sentido da corrente. Quando o condutor é colocado em um campo magnético, ele é submetido a uma força resultante da combinação do seu campo magnético com o campo magnético principal. Esta força causa a rotação da armadura em um certo sentido, entre os pólos. Se for invertido o sentido do campo ou o da corrente, a rotação do motor também será invertida. Entretanto, se os dois forem invertidos ao mesmo tempo, o motor continuará a girar no mesmo sentido. Em geral um motor é instalado para efetuar um determinado trabalho, que requer um sentido constante de rotação. No entanto, há ocasiões em que é necessário trocar o sentido. Lembre-se de que você deve trocar as ligações do campo ou da armadura, porém não dos dois ao mesmo tempo.
Nas máquinas grandes, os fabricantes comumente proporcionam um meio fácil para inverter as ligações do campo.
4.13 - Controle da Velocidade do Motor de C.C. A velocidade do motor de C.C. depende da intensidade do campo magnético e da tensão aplicada à armadura, bem como da carga. Portanto, a velocidade pode ser controlada variando-se a corrente de excitação ou variando a tensão aplicada à armadura. Você poderia reduzir a tensão aplicada à armadura (e assim diminuir a velocidade do motor) aumentando a resistência do circuito da arma-
dura.
O MOTOR DE C.C.
Este método, porem, é raramente usado porque seria necessário um reostato muito grande e também porque o torque de partida seria reduzido. Entretanto, nos motores "shunt" o controle de velocidade pode ser obtido com a ligação de um reostato em série com o enrolamento do campo "shunt". Um aumento na resistência em série com o campo reduz a corrente no mesmo e enfraquece o campo magnético. A redução na intensidade do campo faz com que o motor gire mais rápido para manter a f.c.e.m. necessária para assegurar o equilíbrio expresso pela equação: Ea = IaRa + Eb Nos motores série, o controle da velocidade pode ser proporcionado pela ligação de um reostato em paralelo com o enrolamento do campo s6rie. A medida que aumentamos a resistência em para-
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lelo com o campo, e portanto a corrente no enrolamento de campo, aumenta também a intensidade do campo e, em conseqüência, o motor gira mais lentamente para manter a mesma f.c.e.m.
Comumente, os motores de velocidade variável são do tipo "shunt", devido à facilidade de controle do motor. Posteriormente você estudará os reguladores automáticos de velocidade.
4.14 - Experiência/Aplicação Controle da Velocidade do Motor de C.C. Força Contra-eletromotriz Você pode observar prontamente o efeito de um reostato no circuito de campo de um motor de C.C. montando a seguinte experiência:
A chave em paralelo com o amperímetro deve ser fechada quando o motor for posto em funcionamento, para que o medidor não seja danificado pela intensa corrente de entrada naquele momento. A chave em série com a armadura fica normalmente fechada. Ao variar o reostato, observe que a tensão no campo muda e a velocidade do motor varia aumentando quando a tensão no campo diminui. Observe também que a corrente na armadura diminui à medida que aumenta a velocidade e viceversa (para uma carga constante aplicada ao mo-
tor). Você pode estimar a f.c.e.m. abrindo momentaneamente a chave e observando rapidamente o voltímetro em paralelo com o enrolamento da armadura. O voltímetro permite a medição da f.c.e.m. Você notará que a f.c.e.m. aumenta quando a velocidade aumenta. Como a corrente na armadura depende da diferença entre a tensão de entrada e a f.c.e.m., você pode concluir que a corrente na armadura diminui quando a f.c.e.m. cresce.
O MOTOR DE C.C.
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4.15 - REVISÃO DE MOTORES DE C.C. 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE C.C. - A corrente na bobina da armadura faz com que esta atue como um ímã. Os pólos da armadura são atraídos pelos pólos do campo de polaridade oposta, fazendo com que a armadura gire. O comutador inverte a corrente na armadura no momento em que pólos opostos da armadura e do campo se defrontam, invertendo assim a polaridade do campo da armadura. Pólos iguais da armadura e do campo se repelem, causando a rotação contínua da armadura.
motor.
4. REAÇÃO DA ARMADURA - O campo da armadura provoca distorção do campo principal do motor, causando o deslocamento do plano neutro no sentido oposto ao da rotação da armadura. Interpolos e enrolamentos compensadores são usados para minimizar o efeito da reação da armadura sobre o funcionamento do motor.
2. F.C.E.M. NO MOTOR DE C.C. - Nas bobinas da armadura em movimento de um motor de C.C. aparece uma força eletromotriz induzida, que se opõe à tensão aplicada. Esta f.c.e.m. limita a corrente na armadura. 5. MOTOR SÉRIE - O enrolamento de campo é ligado em série com o enrolamento da armadura, e a intensidade do campo varia com as mudanças na corrente da armadura. Quando sua velocidade é reduzida por uma carga, o motor série passa a desenvolver maior torque. Seu torque de partida é maior do que os dos outros tipos de motores de C.C.
3. CONTROLE DE VELOCIDADE DO MOTOR DE C.C. - A velocidade de um motor de C.C. pode ser variada por meio da variação da intensidade do campo. Isto pode ser feito manualmente com uma resistência em série com o campo "shunt". Aumentando-se a resistência do circuito do campo "shunt", aumenta-se a velocidade do
O MOTOR DE C.C.
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6. MOTOR "SHUNT" - O enrolamento de campo é ligado em paralelo com o da armadura, e a intensidade do campo é independente da corrente da armadura. A velocidade do motor "shunt" varia apenas ligeiramente com as alterações na carga; o torque de partida é menor do que os dos outros tipos de motores de C.C.
8. INVERSAO DO SENTIDO DE ROTAÇÃO - O sentido de rotação de um motor de C.C. pode ser invertido com a inversão das ligações do campo ou com a inversão das ligações da armadura; nunca de ambas ao mesmo tempo.
7. MOTOR "COMPOUND" - Um enrolamento de campo é ligado em série com a armadura e outro em paralelo. As características de velocidade e de carga podem ser alteradas ligando-se os dois campos de modo que se somem ou se oponham.
O GERADOR DE C.A.
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V - GERADORES DE C.A. 5.1 - Introdução aos Geradores de C.A. O gerador de C.A. é o meio mais importante para a produção da energia elétrica que usamos atualmente. Como você estudou, a C.A. é usada na maioria das aplicações, devido à facilidade com que pode ser transformada. O tamanho dos geradores de C.A., ou alternadores, depende muito da energia que devem fornecer. Por exemplo, um alternador simples usado em uma estação geradora na cidade de Nova Iorque gera 1.000 megawatts. Por outro lado, os alternadores empregados nos modernos automóveis geram comumente menos de 500 watts. Entretanto, independentemente do tamanho, todos os geradores, sejam de C.C. ou de C.A., dependem para seu funcionamento da ação de uma bobina cortando um campo magnético. Desde que haja movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, será gerada uma tensão. Como você sabe, para que exista a condição acima, todos os geradores são formados por duas partes mecânicas: um rotor e um estator. Como vimos no estudo dos geradores de C.C., a saída do gerador é proporcional à intensidade do campo e à velocidade com que as bobinas
e o campo interagem.
Como os geradores de C.A. trabalham normalmente com velocidade constante para manter a freqüência constante, o controle da tensão de saída é realizado por meio da variação da intensidade do campo. Você desenvolverá mais este assunto quando estudar mais adiante o controle dos geradores e motores de C.A.
5.2 - Tipos de Alternadores Aprendemos que no gerador de C.C. a parte giratória é sempre a armadura. Contudo, em um gerador de C.A. isto não é o comum. Existem dois tipos básicos de alternadores: o de armadura girante e o de campo girante. O tipo de armadura girante é de construção semelhante à dos geradores de C.C., quanto ao fato de a armadura girar em um campo magnético fixo. Nos geradores de C.C., porém, a C.A. gerada no enrolamento da armadura é convertida em C.C. por meio do comutador, enquanto que, no alternador, a C.A.
gerada é aplicada à carga como C.A., através dos anéis coletores. O alternador de armadura girante existe apenas para pequenas potências nominais. É freqüente o emprego de uma variante do alternador de armadura girante no fornecimento de potências muito baixas (por exemplo, o alternador para automóvel), em que ambos os enrolamentos se entrelaçam em um estator e os campos são acoplados por uma armadura girante de ferro doce (eletromagnética) sem enrolamento. Este arranjo será descrito posteriormente.
O GERADOR DE C.A.
O alternador de campo girante possui o enrolamento da armadura fixo e um enrolamento de campo girante. A vantagem de um enrolamento da armadura fixo é que a tensão gerada pode ser aplicada diretamente à carga sem anéis coletores. As ligações fixas podem ser isoladas com muito maior facilidade do que os anéis coletores com tensões muito elevadas, de modo que os alternadores de alta tensão e alta potência são comumente do tipo de campo girante. Como a tensão aplicada ao campo girante é contínua e baixa, não há o problema de ar nos anéis coletores. A corrente máxima que um alternador pode fornecer depende da perda máxima por efeito Joule que a armadura pode apresentar. Esta perda (I2R) significa aquecimento dos condutores e, quando ocorre em excesso, pode destruir o isola-
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mento. Os alternadores são especificados em termos dessa corrente e da tensão de saída. Isto significa que os alternadores são especificados em volts-ampères (ou, no caso das grandes máquinas, em quilovolts-ampères), isto é, a potência aparente do alternador. Lembre-se de que, mesmo quando a potência solicitada é reativa, é real a perda I2R no gerador e na linha alimentadora.
5.3 - Freqüência do Alternador A freqüência da C.A. gerada por um alternador depende do número de pólos e da velocidade do rotor. Quando o rotor descreve um arco suficientemente amplo para que dois pólos opostos um norte e um sul - passem diante do enrolamento do estator, a tensão induzida no enrolamento completa um ciclo (360 graus elétricos). Assim, um alternador monofásico, bipolar, girando a 3.600 rpm terá uma freqüência de 60 Hz. Quanto maior o número de pólos no campo giratório, menor a velocidade necessária para que se tenha uma dada freqüência. Um alternador de oito pólos, por exemplo, terá de girar com uma velocidade de apenas 900 rpm, para produzir uma freqüência de 60 Hz. A relação entre a freqüência f, expressa em Hz (ciclos por segundo), a velocidade N do rotor, expressa em rpm e o número de pólos P é dada na fórmula:
f
N .P
120
5.4 - Construção do Alternador Os alternadores com potências nominais elevadas da ordem dos quilovolts-ampères são comumente do tipo de alta velocidade, acionados a turbina. A máquina acionadora deste tipo de alternador é uma turbina a vapor de alta velocidade movida a vapor sob alta pressão. O vapor é gerado por energia nuclear ou pela queima de óleo, carvão ou gás. O rotor do alternador acionado por turbina é
cilíndrico, de pequeno diâmetro e apresenta enrolamentos firmemente embutidos em ranhuras na sua superfície. O enrolamento é distribuído para formar dois ou quatro pólos distintos. Só com este tipo de construção o rotor pode suportar a tremenda força centrifuga desenvolvida em alta velocidade, sem sofrer danos. Nos alternadores de menor rotação, acionados por motores a gasolina de velocidade variável,
O GERADOR DE C.A.
turbinas hidráulicas, turbinas com engrenagens redutoras ou motores elétricos, usa-se um rotor com pólos salientes. Neste tipo de construção, fixa-se à estrutura do rotor um determinado número de peças polares, enroladas previamente. Os enrolamentos de campo são ligados em série ou a ligação é mista. Em ambos os casos, os extremos dos enrolamentos são ligados geralmente a anéis coletores montados no eixo do rotor. Independentemente do tipo de campo do rotor, usa-se a excitação independente, normalmente proporcionada por um gerador de C.C. conhecido como excitatriz. Nos grandes geradores de C.A. a excitatriz é montada no mesmo eixo do gerador principal. Entretanto, em alguns geradores de C.A. muito pequenos, o campo do rotor é produzido por um ímã permanente. O estator, ou armadura fixa de um alternador, suporta o enrolamento que é afetado pelo campo magnético girante. A tensão gerada no estator como resultado desta ação é aplicada à carga.
38
Os estatores de todos os alternadores são essencialmente iguais. Consistem de um núcleo de ferro laminado, no qual fica embutido o enrolamento do estator. O núcleo é fixado à carcaça.
5.5 - Características do Gerador de C.A. A tensão de saída de um gerador de C.A. é semelhante à de um gerador de C.C.; apenas devemos lidar com tensão eficaz (rms) em circuitos de C.A. A tensão eficaz, E, por fase, é dada pela expressão: E = 2,22 .Z.f onde é o número de linhas de fluxo por pólo; Z é o número de condutores em série, por fase, e f é a freqüência em Hz. Assim, em qualquer gerador a saída depende da densidade de fluxo, do número de condutores no campo e da velocidade com que os condutores se movem no campo.
Quando se altera a carga de um gerador, a tensão entre seus terminais varia. As causas da variação são a resistência da armadura, a reação da armadura e a reatância da armadura. A tensão cai devido à resistência da armadura (queda IR). Esta aumenta com a carga, fazendo com que caia a tensão de saída. A variação de tensão causada pela reação da armadura depende do fator de potência da carga, se é adiantado ou atrasado. A reação da armadura afeta a intensidade do campo de C.C. de modo que, quando a carga é indutiva (em atraso), a reação da armadura se opõe ao campo de C.C., enfraquecendo-o e determinando uma redução da tensão de saída. Quando a carga é capacitiva (adiantado), o campo de C.C. é ajudado e a tensão de saída aumenta. Como as bobinas da armadura têm indutância (L), haverá uma mudança na tensão devida a IXL que pode ser muitas vezes maior do que a queda IR. Do mesmo modo que com a reação da armadura, a tensão pode diminuir ou aumentar, dependendo do fator de potência da carga do gerador. A regulação de tensão dos geradores de C.A. é calculada do mesmo modo que para os geradores de C.C.
O GERADOR DE C.A.
39
5.6 - Alternador Monofásico Em um alternador monofásico, todos os condutores da armadura são ligados em série, constituindo um único enrolamento, no qual é gerada uma tensão. Se você entender o princípio de funcionamento do alternador monofásico, estará em condições de compreender facilmente os alternadores polifásicos. A figura abaixo é o esquema de um alternador monofásico bipolar. O enrolamento do estator é feito em dois grupos distintos de bobinas, enrolados no mesmo sentido nas ranhuras do estator. O rotor consiste de dois pólos de polaridades opostas. Quando o rotor gira, os seus pólos induzem tensões alternadas no enrolamento do estator. As duas bobinas do enrolamento do estator são unidas de modo que as tensões alternadas ficam em fase
ou em "série aditiva" Evidentemente, um alternador monofásico pode ser construído com muitos pares de pólos, para funcionamento em baixa velocidade. Os alternadores monofásicos são geralmente de baixa potência, e, nas máquinas pequenas, usa-se com freqüência um ímã permanente como rotor.
5.7 - Alternadores Bifásicos Os alternadores polifásicos possuem dois ou mais enrolamentos monofásicos distribuídos simetricamente no estator. Nos alternadores bifásicos, você encontra dois enrolamentos monofásicos dispostos de modo que as tensões alternadas induzidas nos mesmos ficam defasadas de 90 graus. Os enrolamentos não estão ligados eletricamente. Para se obter a defasagem de 90 graus. Os enrolamentos são dispostos de tal modo que, quando um é cortado pelo fluxo máximo, o outro está numa região de fluxo mínimo. A figura a seguir mostra um alternador bifásico, de dois pólos. O estator possui dois enrolamentos monofásicos, completamente separados um do outro. Cada enrolamento é formado de duas partes, ligadas de modo que suas tensões se somam. O rotor é idêntico ao usado no alternador monofásico. Os pólos do rotor, no esquema, estão exatamente em frente aos enrolamentos da fase A. Portanto a tensão induzida na fase A é máxima, ao passo que na fase B não há tensão induzida. A medida que o rotor gira, ele se afasta do enrolamento A e se aproxima do enrolamento B. A tensão induzida na fase A, portanto, decresce, e a da fase B aumenta, partindo do zero. Observe que um deslocamento de 90 graus do rotor correspondeu a um quarto de ciclo ou 90 graus elétricos.
A figura mostra as formas de ondas das tensões induzidas nas fases A e B, para um ciclo completo. As duas tensões estão defasadas de 90 graus. Em alguns casos, você encontrará geradores bifásicos ligados de maneira que na saída existem apenas três fios. Como se observa no diagrama vetorial, a tensão entre os terminais A e B (E AB) e igual à soma da tensão entre A e B com a tensão entre C e B: assim, quando a tensão em cada enrolamento é de 100 volts, a saída total E AB e 141 volts. Como você sabe, E AB também pode ser obtida resolvendo-se o triângulo. Assim: 2 2 E CB E AB E AC
tg
1
E AC E CB
tg
1
1 45
O GERADOR DE C.A.
40
5.8 - Alternadores Trifásicos O alternador trifásico, como seu nome sugere, possui três enrolamentos monofásicos dispostos de forma que as tensões induzidas fiquem defasadas de 120 graus. Um diagrama esquemático de um estator trifásico, mostrando todas as bobinas, fica muito complicado, tornando-se difícil ver o que realmente acontece. O diagrama esquemático simplificado abaixo mostra todas as bobinas de uma fase concentradas numa só. Não se representa o rotor, para maior simplicidade. As formas de ondas das tensões geradas em cada fase são traçadas num gráfico, defasadas de 120 graus. O alternador trifásico mostrado neste esquema corresponde essencialmente a três geradores monofásicos cujas tensões estão defasadas de 120 graus. As três fases são independentes entre si.
Para evitar seis ligações externas, unimos os extremos das fases, formando uma ligação Y ou estrela. O ponto comum às três fases é chamado neutro, e a tensão entre este ponto e qualquer dos outros condutores é igual a tensão na fase. A tensão total ou tensão de linha, entre dois condutores
(fios fase) quaisquer, é a soma vetorial das tensões de fase individuais. Os enrolamentos formam um caminho único para a corrente entre fases; portanto, as correntes na linha são iguais às correntes nas fases. Podemos também ligar as fases de outro modo, unindo os extremos dois a dois; esta é a ligação em triângulo ou delta. Nesta ligação, as tensões de linha são iguais às tensões das fases; as correntes nas linhas, porém, são a soma vetorial das correntes nas fases. Ambas as ligações, estrela e triângulo, são usadas nos alternadores e também em transmissão de energia e motores de C.A.
Os geradores de C.A. muito grandes e os sistemas de energia usam seis ou mais fases; entretanto, o princípio é o mesmo. Como você estudará em breve, é possível passar de uma ligação para outra usando dispositivos de comando. Os circuitos polifásicos são empregados para reduzir o número de linhas necessárias para a transmissão de energia.
5.9 - Ligação Estrela Como vimos, o gerador com ligação estrela possui um fio neutro para ligação externa. Cada carga tem duas fases em série. Assim, a corrente e a tensão devem ser determinadas por meio de vetores. Os sistemas trifásicos ligados em estrela são o tipo disponível mais comum; entretanto, ele é obtido comumente de uma linha de transmissão trifásica por meio de transformadores.
No sistema ligado em estrela, as correntes e
as tensões entre fios fases (E AB, E BC e EAC) são as somas vetoriais dos valores em dois dos enrolamentos. Assim:
Nas cargas ligadas entre fios fases, as tensões resultantes estão ainda defasadas 120 graus, mas as tensões são iguais à soma vetorial das saídas de dois enrolamentos. Seguindo o circuito, por exemplo, de A para B, e usando a lei das tensões de Kirchhoff, é evidente que E AB = EAN + ENB (vetorialmente)! Como ENB é o simétrico (negativo)
O GERADOR DE C.A.
de EBN (outro sentido), é necessário inverter o sentido de EBN antes da soma, como se vê no diagrama vetorial acima. A tensão pode ser obtida graficamente ou analiticamente. Se você a obtiver graficamente, verificará que a tensão resultante, entre fios fases (tensão de linha), é cerca de 1,73 ( 3 ) vezes a tensão entre um fio fase e o neutro (cada enrolamento em separado). Você pode calcular a tensão resultante analiticamente, mas o caminho é ligeiramente mais complicado.
41 cos ou
hipotenusa
vertical
sen
ou
vertical
;
cos 30 E . NC 0,866. E NC
horizontal hipotenusa
;
. NC horizontal sen30. E NC 0,5 E
Se cada tensão de fase (entre fase e neutro) for de 120 volts, pelo teorema de Pitágoras: E AC
(0,866 x120) 2 (1,5 x120) 2 208 volts
ou seja : E AC 3 x 120
O ângulo de defasagem (relativo a E AN) pode ser obtido da relação: tg 1
Para efetuar a soma vetorial, é necessário decompor cada vetor nos dois eixos perpendiculares, e usar o teorema de Pitágoras para achar a tensão resultante. Isto é fácil para E AN, que já está em um dos eixos. Para E NC, temos de decompô-la em duas componentes defasadas 90 graus. Como você sabe, podemos usar o nosso conhecimento dos triângulos retângulos. Assim, obtemos as projeções de E NC nos eixos vertical e horizontal com as relações:
0,866 E . NC 0,866 tg 1 30 1,5 E . AN 1,5
Como ENC e EAN são iguais para uma carga resistiva (fator de potência unitário), as tensões entre fios fases são 3 (1,73) vezes (não o dobro) a tensão em cada enrolamento e são defasadas 30° (em atraso) em relação a cada enrolamento. As correntes da linha são defasadas 30° em relação a tensão da linha. Quando se usa um neutro, as correntes e tensões de linha são iguais as das fases do gerador. Não há corrente no neutro quando as cargas se distribuem igualmente pelas fases.
5.10 - Ligação Triângulo Um estator trifásico também pode ser ligado na configuração triângulo. Neste tipo de conexão, o fim do primeiro enrolamento é ligado ao início do segundo, o fim do segundo ao início do terceiro, etc. A ligação triângulo ou delta tem certa semelhança com a estrela; contudo, as correntes de linha têm seus componentes provenientes de dois enrolamentos (por exemplo, I 1 resulta de Ia e Ic).
Do mesmo modo que na ligação estrela, pode-se traçar um diagrama vetorial baseado nessas correntes de linha.
O diagrama vetorial para a ligação triângulo pode ser resolvido graficamente e analiticamente. Por analogia à solução do circuito estrela, pode-se mostrar que quando o fator de potência é unitário e as fases estão carregadas uniformemente, as correntes de linha são iguais e defasadas de 120°. As tensões de linha são iguais às tensões de fase e defasadas de 120°. Há uma defasagem de 30° entre as correntes de linha e as tensões de linha. As correntes de linha correspondem a 3 (1,73) vezes a corrente de fase.
O GERADOR DE C.A.
42
5.11 - REVISÃO DE GERADORES DE C.A. 1 - ALTERNADOR MONOFÁSICO - O alternador monofásico possui uma armadura que consiste de vários enrolamentos colocados simetricamente no estator e ligados em série. As tensões geradas nos enrolamentos se somam para produzir a tensão total entre os terminais de saída.
4 - REGULAÇÃO DE TENSÃO - A regulação de tensão de um alternador é pior do que a de um gerador de C.C., devido à queda I.X L no enrolamento da armadura, além da queda I.R e da reação da armadura (XL)· E S E GER IR IX L IX L2
5 - LIGAÇÃO TRIÂNGULO - Os enrolamentos do estator formam uma malha fechada. A tensão da linha é igual a tensão de fase; a corrente de linha é igual a 3 vezes a corrente de fase. A defasagem entre a corrente de linha e a tensão de linha é 30°.
2 - ALTERNADOR TRIFÁSICO - No alternador trifásico, as tensões geradas nos seus enrolamentos estão defasadas de 120°. Os alternadores trifásicos são os mais usados para a produção de C.A.
3 - FREQÜÊNCIA DO ALTERNADOR -A freqüência (f) da C.A. gerada por um alternador depende da velocidade de rotação (N) e do número de pólos do rotor (P). N .P f 120
6 - LIGAÇÃO ESTRELA - Os enrolamentos do estator são ligados formando um Y. A tensão de linha é igual a 3 vezes a tensão de fase. A corrente de linha é igual a corrente de fase. É de 30° a defasagem entre a corrente de linha e a tensão de linha. A tensão entre um dos fios fases e o neutro é igual a tensão de linha dividida por 3 .
O MOTOR DE C.A.
43
VI - MOTORES DE C.A. 6.1 - Tipos de Motores de C.A. Como a maior parte da energia elétrica produzida e de C.A., muitos são os tipos de motores projetados para trabalharem com este tipo de corrente. Os motores de C.A., em sua maioria, têm características de funcionamento semelhantes às dos motores de C.C., embora o seu funcionamento esteja menos sujeito a defeitos. Isto porque os motores de C.C. apresentam problemas na comutação que envolvem as escovas, os porta-escovas, o plano neutro, etc. Muitos tipos de motores de C.A. nem mesmo usam anéis coletores, e assim podem proporcionar um funcionamento livre de defeitos durante períodos bastante longos. Contudo, os motores de C.A. só trabalham bem dentro de uma faixa estreita de velocidades. Os motores de C.A. apresentam características excelentes para a operação a velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela freqüência da fonte de alimentação. Existem também motores de C.A. cuja velocidade pode ser variada dentro de certos limites. Os motores de C.A. podem ser monofásicos ou polifásicos. O principio de funcionamento é o mesmo em todos os casos, isto é, o de um campo magnético girante que provoca rotação do rotor da máquina. Os motores de C.A. são classificados geral-
mente em dois tipos principais: (1) motores síncronos e (2) motores de indução. O motor síncrono é um alternador funcionando como motor; aplica-se C.A. ao estator e C.C. ao rotor. O motor de indução difere do motor síncrono por não ter o seu rotor ligado a qualquer fonte de alimentação, sendo alimentado por indução magnética. O motor série de C.A., amplamente usado em alguns eletrodomésticos e pequenas ferramentas, é uma versão modificada do motor série de C.C. Apresenta a vantagem da velocidade ajustável e também pode ser empregado em aplicações nas quais se usa o motor série de C.C. Dos dois tipos básicos de motores de C.A. citados, o motor de indução é de aplicação muito maior.
6.2 - Campo Girante Antes de aprender como um campo magnético girante obriga o rotor energizado a girar, você deve compreender como e produzido um campo magnético girante. Isto é mais fácil de ser conseguido com um sistema trifásico, de modo que iniciaremos com ele. O esquema abaixo mostra um estator trifásico, alimentado por uma fonte de C.A. trifásica. Os
enrolamentos estão ligados em triângulo. As duas bobinas de cada fase estão enroladas no mesmo sentido. O campo magnético gerado por uma bobina depende da corrente que por ela passa no momento. Se a corrente for nula não haverá campo magnético. Se a corrente for máxima, o campo também será máximo. Como as correntes nos três en-
O MOTOR DE C.A.
rolamentos estão defasadas de 120°, os campos magnéticos que produzem apresentam a mesma defasagem. Os três campos combinam-se em um único que atua sobre o rotor. Você verá, na página seguinte, que os campos se combinam dando um campo único, cuja posição varia com o tempo. Ao fim de um ciclo de C.A., o campo terá girado 360°, ou uma rotação completa.
A figura abaixo mostra as formas de ondas das três correntes aplicadas ao estator. As correntes estão defasadas de 120°. As formas de ondas podem representar tanto as correntes como os campos magnéticos gerados pelas três fases ou correntes nas fases. As formas ondas foram designadas com as mesmas letras das fases correspondentes.
Usando as formas de ondas, podemos combinar os campos magnéticos gerados em cada 1/6 de ciclo (60°), para determinar o sentido do campo magnético resultante. No ponto 1, C é positiva e B
44
é negativa Isto significa que há correntes em sentidos opostos nas fases B e C. Deste modo, fica estabelecida a polaridade magnética das fases B e C. A polaridade é mostrada no diagrama simplificado acima do ponto 1. Observe que B 1 é um pólo norte e B um pólo sul; C é um pólo norte e C 1 um pólo sul. Como no ponto 1 não há corrente através da fase A, seu campo magnético e nulo. Os campos magnéticos dos pólos B1 e C dirigem-se aos pólos sul mais próximos, respectivamente C1 e B: Os campos magnéticos de B e C têm amplitudes iguais, e o campo magnético resultante fica entre os dois campos, com o sentido indicado. No ponto 2, 60° após, as correntes aplicadas às fases A e B são iguais e opostas, e a corrente na fase C é nula. Você pode verificar que o campo magnético resultante girou 60°. No ponto 3, a onda B tem o valor zero, e o campo resultante tornou a girar 60°. Dos Pontos 1 a 7 (correspondendo a um ciclo de C.A.), você pode verificar que o campo magnético resultante gira 360°, sempre que um ciclo de C.A. e aplicado ao estator. Conclui-se que um campo girante é produzido sempre que se aplica uma C.A. trifásica aos três enrolamentos simetricamente dispostos no estator. Você pode aplicar raciocínio semelhante e mostrar que um sistema bifásico também produzirá um campo magnético girante. Na realidade, qualquer número de fases produzirá um campo girante. Com um sistema monofásico, contudo, não haverá partida, como veremos adiante. Portanto, nos motores monofásicos são necessários arranjos especiais para fazê-los operar adequadamente. Como você observou anteriormente, o campo girou 1 ciclo para 1 ciclo de corrente. Assim, se a corrente fosse fornecida por uma fonte de 60 Hz, o campo giraria 60 vezes por segundo ou 3.600 vezes por minuto. Entretanto, se o número de bobinas do estator fosse dobrado (uma máquina de 4 pólos), o campo giraria com a metade da velocidade. Isto é exatamente o que você estudou sobre os geradores de C.A. onde, para uma dada freqüência a velocidade da máquina acionadora caía em proporção ao número de pólos. Assim, a velocidade do campo pode ser calculada facilmente: 120. f N
P
A Rotação do Campo é Proporcional à Freqüência e Inversamente Proporcional ao Número de Pólos.
O MOTOR DE C.A.
Você observará que esta é a mesma equação usada para calcular a freqüência de um gerador; apenas está preparada para determinar N (velocidade do campo do motor em rpm) e não f (freqüência). Como antes, P representa o número de pólos. Você deve lembrar que o número de pólos referido e o número de pólos por fase. Desta forma, um motor bifásico de dois pólos tem realmente 4 pólos, e um motor trifásico de 2 pólos tem realmente 6 pólos; os dois motores girarão com a mesma velocidade. A velocidade dada pela equação acima é conhecida como velocidade síncrona, porque é sin-
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cronizada com a freqüência da rede. Deste modo, uma máquina de 2 pólos trabalhando a 60 Hz tem uma velocidade síncrona de 3.600 rpm, uma máquina de 4 pólos tem uma velocidade síncrona de 1.800 rpm, etc. Como você pode ver, a velocidade da campo girante depende somente da freqüência da rede e é independente da carga. O campo girante proporciona a força acionadora para a maioria dos motores de C.A.; assim, dentro de estreita faixa, a maioria dos motores de C.A. é constituída por velocidade constante.
6.3 - O Motor Síncrono Embora o motor síncrono não seja comumente tão usado como o motor de indução, nós o estudaremos primeiro porque ele é muito semelhante, quanto a construção, ao gerador de C.C. O motor síncrono recebeu este nome porque seu rotor é sincronizado com o campo girante estabelecido no estator. Sua construção é essencialmente a mesma do alternador de pólos salientes. Você sabe que a aplicação de uma C.A. trifásica ao estator produz campo magnético girante em torno do rotor. Quando o rotor é energizado com C.C. ele atua como um imã em barra suspenso em um campo magnético gira até se alinhar com o campo magnético. Do mesmo modo, o rotor alimentado com C.C., do motor síncrono, é um imã que procura se alinhar com o campo magnético produzido pela aplicação da C.A. trifásica ao estator.
Quando o campo magnético gira, o rotar gira em sincronismo com o campo. Quando o campo magnético girante é forte, ele exerce uma intensa força de torção sobre o rotor, e este, portanto, se torna capaz de acionar uma carga Como você sabe, a velocidade de rotação do campo magnético depende da freqüência da fonte de C.C. Como a freqüência da fonte é constante, os motores síncronos são, na prática, motores de uma única velocidade. Eles são usados com cargas que requerem velocidade constante desde a condição sem carga até a condição de plena carga. Note que em um motor síncrono, operando a velocidade síncrona, não há C.A. induzida no rotor, porque não há movimento relativo entre o campo girante e o rotor. Alguns motores síncronos pequenos usam rotores de ímã permanente e não precisam de uma fonte de C.C. Uma das desvantagens do motor síncrono puro é que ele não pode partir de uma posição de repouso apenas com a aplicação da C.A. ao estator. No instante em que a C.A. é aplicada ao estator, aparece um campo girante de alta velocidade. Este campo girante passa diante dos pólos do rotor tão rapidamente que o rotor não tem oportunidade de partir; ele é repelido primeiro em um sentido e a seguir no outro. Em outras palavras, um motor síncrono em sua forma pura não apresenta torque de partida. Portanto, normalmente ele é posto em movimento com auxílio de um pequeno motor de indução, ou com enrolamento equivalente (chamado gaiola) incorporado ao motor síncrono. Quando o rotor se aproxima da velocidade síncrona graças ao dispositivo de partida, ele passa a ser energizado pela fonte de C.C. O rotor pas-
O MOTOR DE C.A.
sa então a acompanhar o campo girante. Um motor deste tipo é conhecido como de indução na partida e funcionamento síncrono. Mais adiante você estudará o motor de indução.
Quando se dá partida em um motor síncrono, há movimento relativo entre o campo e o rotor e, assim, aparece uma tensão alternada no enrolamento do rotor de pólos salientes. Isto pode auxiliar o rotor de gaiola, proporcionando torque de partida adicional para por em movimento o motor síncrono. O fator de potência da maioria das cargas, por exemplo, de motores de indução é indutivo (em atraso); o fator de potência pode ser unitário, adiantado ou atrasado, dependendo da excitação de C.C. Sob condições sem carga, a corrente solicitada por um motor síncrono é pequena. Quando uma carga é aplicada, o rotor responde com um ângulo de fase em relação ao campo. Observe que a velocidade ainda é síncrona mas a fase entre o rotor e o campo varia. Nessas condições, o fator
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de potência e comumente em atraso. À medida que aumenta a corrente contínua de excitação, o fator de potência torna-se unitário e a seguir adiantado. Assim, para uma dada carga, o fator de potência do motor síncrono é determinado pela C.C. de excitação. Isto é mostrado graficamente nas curvas a seguir, que mostram as variações na corrente do campo, sob carga, para várias condições de fator de potência
A propriedade dos motores síncronos de solicitarem corrente adiantada é muito útil. Como você sabe, a queda IR depende da corrente total solicitada, mas a potência reativa não produz saída útil. A maioria dos dispositivos com potência reativa apresenta fator de potência em atraso. Como as companhias de força e luz geralmente agem contra os usuários que solicitam muita potência reativa, os motores síncronos (ajustados para fator de potência adiantado) são empregados para ajudar a corrigir o fator de potência. Nesse tipo de aplicação, o motor é quase sempre denominado capacitor síncrono, porque sua ação é semelhante à de um capacitor.
6.4 - O Motor de Indução O motor de indução é o motor de C.A. mais usado, por causa de sua simplicidade, construção robusta e baixo custo de fabricação. Estas características do motor de indução resultam do fato de ser o rotor uma unidade auto-suficiente que não necessita de conexões externas. O nome motor de indução é derivado do fato de serem induzidas correntes alternadas no circuito do rotor, pelo campo magnético girante do estator. A construção do estator do motor de indução é praticamente igual à do estator do motor síncrono, mas os seus rotores são completamente
diferentes. O rotor do motor de indução é um cilindro laminado, com ranhuras na superfície. Os enrolamentos colocados nessas ranhuras podem ser de dois tipos. O tipo mais comum é o de gaiola; consiste de barras de cobre, de grande seção, unidas em cada extremidade por um anel de cobre ou de bronze. Não há necessidade de isolamento entre o núcleo e as barras, porque as tensões geradas nas barras do rotor são muito baixas. O entreferro entre o rotor e o estator é muito pequeno, para se obter a máxima intensidade de campo. O outro tipo de rotor apresenta bobinas colocadas nas
O MOTOR DE C.A.
ranhuras e é conhecido como rotor enrolado. Como qualquer tipo de rotor, o princípio básico de funcionamento é o mesmo. O campo magnético girante, gerado no estator, induz uma f.e.m. no rotor. A corrente no circuito do rotor, produzida pela f.e.m. induzida, estabelece um campo magnético. Há uma ação mútua entre os dois campos, e isto faz o rotor girar.
Os motores de rotor enrolado possuem anéis coletores ligando o enrolamento a resistências externas. As resistências variáveis proporcionam um meio para aumentar a resistência do rotor durante a partida, para melhorar suas características de partida. Quando o motor atinge sua velocidade normal, os enrolamentos são postos em curto e o funcionamento passa a ser semelhante ao de um rotor de gaiola. Quando se aplica C.A. aos enrolamentos do estator, produz-se um campo magnético girante. Este campo girante corta os condutores do rotor e induz corrente nos mesmos.
Quando você estudou os dispositivos básicos dos medidores e os transformadores, aprendeu que esta corrente induzida gera um campo magnético em tomo dos condutores do rotor, e este cam-
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po tende a se alinhar com o campo do estator. Entretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor não consegue se alinhar com ele. Como você sabe, de acordo com a lei de Lenz, qualquer corrente induzida tende a se opor às variações do campo que a produziu. No caso de um motor de indução, variação é a rotação do campo do estator, e a força exercida sobre o rotor pela reação entre o rotor e os campos do estator é tal que tenta cancelar o movimento contínuo do campo do estator. Esta é a razão pela qual o rotor acompanha o campo do estator, tão próximo quanto o permitam o seu peso e a carga. Os motores de C.C. e os motores síncronos recebem a corrente para suas armaduras por condução. O motor de indução tem corrente no rotor por indução, e é semelhante a um transformador com secundário girante.
6.4.1 - Deslizamento É impossível para o rotor de um motor de indução girar com a mesma velocidade do campo magnético girante. Se as velocidades fossem iguais, não haveria movimento relativo entre eles e, em conseqüência, não haveria f.e.m. induzida no rotor. Sem f.e.m. induzida não há conjugado (torque) agindo sobre o rotor. A velocidade do rotor deve ser inferior à do campo magnético girante, para existir movimento relativo entre os dois (Lembre-se de que sua velocidade não pode ser maior do que a velocidade síncrona). A diferença percentual entre as velocidades do campo girante e do rotor é chamada deslizamento (slip). Quanto menor for o deslizamento, mais se aproximarão as velocidades do rotor e do campo girante.
A velocidade do rotor depende do torque requerido pela carga. Quanto maior for a carga, maior a força de torção necessária para girar o ro-
O MOTOR DE C.A.
48
tor.
Esta força só pode aumentar se a f.e.m. induzida no rotor aumentar, e esta f.e.m. só pode aumentar se o campo magnético cortar o rotor com maior rapidez. A velocidade relativa entre o campo girante e o rotor aumenta quando o rotor gira mais devagar. Portanto, a velocidade do motor de indução cai, com cargas pesadas. Realmente, apenas pequenas variações de velocidade são necessárias para produzir as variações de corrente para atender às alterações normais de carga. A razão disto é a resistência muito baixa do enrolamento do rotor. Por este motivo, os motores de indução são considerados motores de velocidade constante.
2. . f S .S .L , onde L é a indutância do rotor. 100 Como você pode ver, a reatância é grande com deslizamento elevado (baixa velocidade) e diminui à medida que aumenta a velocidade do rotor. Assim, perto do deslizamento 100%, a reatância do rotor limita a corrente do rotor e o torque é baixo; e no outro extremo, quando o deslizamento é nulo, o torque é baixo devido à baixa corrente do rotor. Por causa da reatância do rotor, os motores de indução apresentam um fator de potência em atraso. As curvas características abaixo são de um motor de indução trifásico típico, para uso industrial.
X L
6.4.2 - Torque e Eficiência Na partida, a freqüência da C.A. induzida no rotor é igual à da freqüência da linha, mas, à medida que aumenta a velocidade do rotor, esta freqüência é reduzida - na velocidade síncrona, seria zero. A freqüência do rotor (f r) é proporcional à percentagem de deslizamento (S) e à freqüência da fonte (f s) em hertz ou f r
S . f s
100 Por exemplo, se a freqüência é 60 Hz e o motor tem 2,78% de deslizamento (motor de indução de 4 pólos com velocidade de 1.750 rpm), a freqüência ao rotor é 2,78 x 60/100 = 1,67 Hz. A reatância do rotor também é proporcional ao deslizamento, de modo que no rotor,
6.5 - Motor de Indução Bifásico Os motores de indução podem ser monofásicos, bifásicos ou trifásicos. Em todos estes casos, a C.A. aplicada ao estator deve produzir um campo girante que arrasta o rotor consigo. Você já viu como uma C.A. trifásica aplicada a um enrolamento trifásico distribuído simetricamente produz um campo magnético girante. O motor de indução bifásico possui dois enrolamentos no estator, espaçados de 90 graus. Embora você não vá encontrar muitos motores bifásicos em uso, seu estudo é importante porque muitos motores monofásicos são postos em movimento como motores bifásicos, como você estudará mais adiante.
O torque "pullout" mostrado no gráfico A é o ponto em que a reatância e a resistência do rotor são iguais, e portanto o fator de potência do rotor é 70%. Além deste ponto, a velocidade do motor cai rapidamente e o motor tende a parar.
O MOTOR DE C.A.
A figura mostra um desenho simplificado do estator bifásico. A outra figura mostra um diagrama esquemático do motor de indução bifásico. O circuito pontilhado representa o enrolamento do rotor. Se as tensões aplicadas às fases A-A1 e B-B1 estiverem defasadas de 90 graus, as correntes também estarão defasadas de 90 graus. Os campos magnéticos produzidos nas bobinas estarão, também, defasados de 90 graus, pois estão em fase com as correntes que as produzem. Estes dois campos magnéticos defasados, produzidos por bobinas cujos eixos são perpendiculares, se somarão a cada instante para produzir um campo resultante que completará uma volta em cada ciclo de C.A. A figura mostra um gráfico dos dois campos magnéticos alternados defasados de 90 graus. As formas de ondas são designadas por letras correspondentes às respectivas fases. A semelhança com o campo girante trifásico é evidente. Na posição 1, a corrente e o campo magnético no enrolamento A-A1 estão no máximo, e são nulos no enrolamento B-B1. O campo magnético resultante terá, portanto, o sentido do eixo do enrolamento A-A1. Na posição 2 (45°), o campo magnético resultante estará situado a meio caminho entre os enrolamentos A-A1 e B-B1, pois as correntes e os campos são de intensidades iguais. Na posição 3 (90°), o campo magnético é nulo em A-A1 e máximo em B-B1. O campo resultante tem
6.6 - Motores Monofásicos O motor de indução monofásico possui apenas uma fase e é alimentado por uma C.A. monofásica. Este tipo de motor é muito usado sempre que se requer um motor pequeno e pouca potência. A principal vantagem destes motores é que, para pequenas potências, eles são mais baratos do que os outros tipos de motores. Eliminam também a necessidade de alimentação trifásica. Os motores monofásicos são usados em equipamentos de comunicações, ventiladores, refrigeradores, máquinas de furar portáteis, esmeris, etc. Os motores monofásicos são divididos em dois grupos: (1) motores de indução e (2) motores série. Os motores de indução usam rotor do tipo gaiola, com um dispositivo especial para a partida. Os motores série lembram os motores de C.C., porque possuem comutador e escovas.
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agora o sentido do eixo de B-B1. O campo magnético resultante deslocou-se 90° entre a posição 1 e a posição 3. Na posição 4 (135°), os campos magnéticos são novamente de intensidades iguais. O campo de A-A1, porém, inverteu a polaridade. O campo resultante fica a igual distância dos enrolamentos e o seu sentido é o indicado. Na posição 5 (180°), o campo é nulo em B-B1 e máximo em A-A1. O campo resultante terá a direção de A-A1, conforme a figura. Dos 180° aos 360° (posições 5 a 9), o campo magnético gira mais 180°, completando uma rotação. Portanto, com dois enrolamentos perpendiculares e usando alimentações defasadas de 90°, você obtém um campo magnético girante.
As outras características dos motores bifásicos são semelhantes às dos motores trifásicos.
O MOTOR DE C.A.
6.6.1 - Campos do Estator Agora você verá como uma C.A. monofásica aplicada ao enrolamento do estator produzirá um campo magnético reversível, que também pode acionar um motor. Quando o rotor está girando, toda vez que um pólo do rotor se aproxima de um dos enrolamentos do estator, o sentido do campo do estator deve ser tal que ele possa atrair o pólo e forçá-lo no sentido do seu movimento. Assim a corrente de campo em um enrolamento do estator deve passar por meio ciclo no intervalo entre a aproximação de pólos do rotor de polaridades opostas. Os diagramas abaixo mostram o sentido do campo do estator criado pela aplicação de uma C.A. monofásica. O diagrama 1, na parte superior, mostra meio ciclo; você pode observar que, à medida que o rotor se alinha com o campo do estator, seus pólos estão sendo atraídos pelos enrolamentos do estator. No diagrama 2, o semiciclo seguinte, o campo do estator é invertido, e o rotor, devido à inércia, girou 180°. Então, mais uma vez, à medida que os pólos do rotor se aproximam dos enrolamentos do estator, há uma força de atração que mantém o rotor girando no sentido desejado. Do que foi dito, é evidente que, se o rotor estivesse girando no sentido oposto, ele continuaria a girar. Deste modo, com um motor monofásico não há campo magnético girante e torque de partida. Contudo, se o movimento do rotor puder ser iniciado por outros meios, as correntes induzidas no rotor cooperarão com as correntes no estator para produzir um campo girante aparente. Este campo fará com que o rotor continue a girar no sentido do seu movimento inicial.
Existem muitos métodos para proporcionar um torque de partida aos motores de indução monofásicos - os mais comuns são a fase dividida com capacitor e o pólo fendido (pólo distorcido).
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Os motores de indução monofásicos são classificados de acordo com o método de partida adotado.
6.6.2 - Campos do Rotor O motor de indução monofásico possui um único enrolamento no estator. Este enrolamento gera um campo que não é girante, mas se alterna ao longo do eixo do enrolamento. Quando o rotor está parado, o campo do estator, ao se expandir e contrair, induz correntes no rotor. O campo gerado no rotor tem polaridade oposta ao do estator. A oposição dos campos determina o aparecimento de forças que atuam sobre a parte superior e a parte inferior do rotor, com a tendência de girá-lo 180 graus a partir de sua posição inicial. A ação das forças é igual em ambos os sentidos, pois elas atuam através do centro do rotor. O resultado é que o rotor continua parado. Entretanto, se o rotor estiver girando ao se ligar o motor, ele continuará em movimento no sentido inicial, pois a ação das forças será ajudada pela inércia do rotor. A velocidade do rotor aumenta até que ele gira quase 180 graus em cada alternação do campo do estator. É necessário existir um deslizamento para haver corrente induzida no rotor. Na velocidade máxima, o rotor gira menos de 180 graus para cada mudança de polaridade do campo do estator.
Como o campo criado pela tensão monofásica aplicada ao enrolamento do estator é pulsativo, os motores de indução monofásicos desenvolvem um torque pulsativo. Eles são, portanto, menos eficientes do que os motores trifásicos ou bifásicos cujos torques são mais uniformes.
O MOTOR DE C.A.
6.6.3 - Motores de Fase Dividida Você já sabe que o motor monofásico continua girando, depois de dada a partida no mesmo com auxilio de um dos meios a que nos referimos. Contudo, não é prático acionar o rotor com a mão, e, portanto, um dispositivo elétrico deve ser incorporado ao estator para dar origem a um campo girante, por ocasião da partida. Assim que o motor entrar em funcionamento, o dispositivo poderá ser eliminado do circuito do estator, pois o rotor e o estator juntos produzirão o campo girante necessário ao funcionamento do motor. O estator do motor de fase dividida possui um enrolamento auxiliar (enrolamento de partida), além do enrolamento principal. Os eixos dos dois enrolamentos ficam separados fisicamente por 90 graus.
A corrente no enrolamento de partida apresenta um atraso de 30° em relação à tensão da linha; a corrente no enrolamento principal apresenta um atraso de 45° em relação a tensão. Na partida, os dois enrolamentos, devido à diferença entre fases, produzem um campo girante. A corrente no rotor fica atrasada cerca de 90° em relação à tensão no rotor, devido a elevada reatância do rotor (alta freqüência da tensão do rotor resultante do grande deslizamento). A interação das correntes no rotor e do campo do estator faz com que o rotor tenha sua velocidade aumentada no sentido do campo girante do estator. Quando o rotor atinge cerca de 75% da velocidade normal, a chave centrífuga desliga o enrolamento de partida, e o motor continua funcionando apenas com o enrolamento principal. O campo girante é mantido pela interação dos campos magnéticos do rotor e do estator. Este motor tem as características de velocidade constante, torque variável, do motor "shunt". O torque de partida pode ser o dobro do torque com plena carga, e a corrente de partida é de seis a oito vezes a corrente de plena carga. Estes motores são usados em eletrodomésticos - lavadoras, secadoras, venti-
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ladores, etc. O sentido de rotação é invertido com a troca das ligações do enrolamento de partida.
6.6.4 - Motores com Capacitor de Partida O motor a capacitor é uma versão modificada do motor de fase dividida. O diagrama a seguir mostra o esquema simplificado de um típico motor com partida a capacitor. O estator consiste do enrolamento principal e de um enrolamento de partida ligado em paralelo e perpendicularmente a ele. A diferença de fase elétrica de 90 graus entre os dois enrolamentos é obtida ligando-se o enrolamento auxiliar em série com um capacitor e uma chave de partida. Na partida, a chave é fechada, colocando o capacitor em serie com o enrolamento auxiliar. O valor do capacitor é tal que o enrolamento auxiliar é efetivamente um circuito resistivo-capacitivo em que a corrente está adiantada aproximadamente 45° em relação à tensão da linha. Portanto, as duas correntes estão defasadas 90°, o mesmo acontecendo com os campos magnéticos gerados por elas. O efeito é que os dois enrolamentos atuam como um estator bifásico e produzem o campo girante requerido para dar partida no motor. Quando são atingidos cerca de 75% da velocidade máxima, uma chave centrifuga desliga o enrolamento de partida, e o motor passa a funcionar como um motor de indução monofásico. Como o motor de indução bifásico é mais eficiente do que o motor monofásico, quase sempre é desejável manter o enrolamento auxiliar permanentemente no circuito, de modo que o motor funcione como um motor de indução bifásico. O capacitor de partida é comumente de valor bem grande, para permitir que uma corrente grande passe pelo enrolamento auxiliar. Assim, o motor pode apresentar um grande torque de partida.
O MOTOR DE C.A.
Quando o motor atinge sua velocidade, não é necessário que o enrolamento auxiliar continue a solicitar toda a corrente de partida, e o capacitor pode ser reduzido. Portanto, são usados dois capacitores em paralelo na partida, e um é cortado quando o motor atinge sua velocidade. Um motor deste tipo é conhecido como motor de indução com capacitor de partida e capacitor de funcionamento. O motor a capacitor produz uma diferença de fase muito maior entre os enrolamentos e, em conseqüência, tem maior torque de partida do que o motor de fase dividida (tanto quanto 400% do torque a plena carga). Capacitores eletrolíticos especiais não polarizados são usados com valores de 80 F, para um motor de 1/8 H.P., a 400 F para motores de 1 H.P. Estes motores são usados tipicamente para acionar esmeris, máquinas de furar, compressores de refrigeradores e outras cargas que requerem elevado torque de partida. Como acontece com o motor de fase dividida, o sentido de rotação é invertido com a troca das ligações do enrolamento de partida.
6.6.5 - Chave Centrifuga Os motores de fase dividida e a capacitor usam uma chave centrífuga para desligar o enrolamento de partida, quando é atingida uma velocidade suficiente (comumente cerca de 75%). As chaves centrífugas têm geralmente um par de contatos normalmente fechados, que se abrem quando a velocidade do rotor excede um determinado valor. Uma das chaves centrífugas mais comuns usa um par de pesos para superar a tensão da mola que mantém a chave fechada.
No arranjo mostrado acima (uma chave do tipo de bola), a mola mantém o bloco de contatos em união com os contatos do enrolamento de partida, de modo que o circuito está fechado para a partida. A medida que aumenta a velocidade do motor, os pesos de bola são deslocados para fora,
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e, quando isto acontece com bastante rapidez, superam a tensão da mola e afastam o bloco de contatos - abrindo o enrolamento de partida, o qual permanece aberto enquanto o motor está funcionando. Quando o motor pára, os pesos se deslocam para dentro e a tensão da mola fecha os contatos novamente. Existem muitas variações da chave centrífuga simples. Cada uma tem os mesmos elementos básicos: um conjunto de contatos operado por força centrífuga.
6.6.6 - Motores de Pólo Fendido O motor de indução de pólo fendido usa um método especial para por o rotor em movimento. Consegue-se o efeito de um campo magnético girante dando-se uma construção especial ao estator. Este tipo de motor possui pólos salientes. Além disso, parte de cada pólo é circundada por uma cinta de cobre, o enrolamento auxiliar. A figura mostra a disposição dada ao enrolamento auxiliar. O princípio de funcionamento é o seguinte: quando o campo alternado do estator começa a aumentar, a partir do zero, as linhas de força cortam o enrolamento auxiliar. Uma corrente é induzida na cinta, produzindo um campo que tende a se opor ao campo principal. À medida que o campo cresce, até 90°, a maior parte das linhas de força fica concentrada na região sem enrolamento auxiliar (diagrama 1 abaixo). Quando o campo atinge o máximo, aos 90°, não há campo criado pelo enrolamento auxiliar; o campo se distribui uniformemente na superfície do pólo, como se vê no diagrama 2. Dos 90° aos 180°, o campo vai se contraindo. O campo do enrolamento auxiliar tende a se opor a essa contração, concentrando as linhas de força na região do enrolamento auxiliar, como mostra o diagrama 3. Observando a figura, você pode verificar que de 0° a 180° o campo se deslocou ao longo da superfície da peça polar. Dos 180° aos 360°, o campo varia do mesmo modo que de 0° a 180°, porém no sentido oposto. Como o sentido do campo não afeta o funcionamento do pólo auxiliar, o movimento do campo durante o segundo semiciclo será idêntico ao do primeiro semiciclo. O movimento do campo produz um torque fraco para dar partida no motor. Como o conjunto é muito pequeno, este tipo de motor é usado para acionar pequenos dispositivos, tais como ventila-
O MOTOR DE C.A.
dores, chaves e pratos de toca-discos. Uma versão deste motor usa um rotor de aço magnético endurecido que se movimenta em sincronismo com o campo. Este motor é conhecido como motor síncrono warren, usado para operar relógios e dispositivos marcadores de tempo. Como o sentido de rotação do campo é determinado pela posição do pólo com enrolamento
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auxiliar, estes motores não são geralmente reversíveis. Este motor é simples e barato mas possui torque de partida muito baixo.
6.7 - Motor série de C.A. - Motor Universal Você estudou que, quando se inverte o sentido da corrente, não se altera o sentido da rotação de um motor série de C.C. Quando se aplica C.A. a um motor série, a corrente na armadura e no campo mudam simultaneamente e, portanto, o motor continua a girar no mesmo sentido. O número de espiras no campo de um motor serie de C.A. é menor do que no do motor série de C.C. Isto é necessário para reduzir a reatância do campo, de modo que haja a corrente necessária. Além disso usa-se a construção laminada em todo o circuito magnético para minimizar as perdas por histerese e por correntes parasitas. As características do motor série de C.A. são semelhantes às do motor série de C.C. Trata-se de uma máquina de velocidade variável, com baixas velocidades para grandes cargas e altas velocidades para pequenas cargas. O torque de partida também é muito alto. Os motores série de C.A. muito grandes são usados em locomotivas, no metro, e aplicações semelhantes. Nesses casos, o desempenho do motor melhora quando a freqüência é reduzida, pois as reatâncias são correspondentemente reduzidas. Para muitas das aplicações dos grandes motores série, a freqüência da linha é 25 Hz.
dor em curto é compensado indutivamente. Os arranjos de enrolamentos compensadores em motores de C.A. são semelhantes aos dos motores de C.C. quanto ao fato de que os compensadores reduzem os efeitos da reação da armadura. Nos grandes motores, o centelhamento do comutador é reduzido por meio de condutores de resistência relativamente alta que ligam as bobinas da armadura ao comutador, a fim de limitar a corrente quando lâminas adjacentes são postas em curto pelas escovas. Os motores série de baixa potência (frações de H.P.) podem operar em C.A. e C.C. Estes motores, chamados rotores universais, são usados comumente em pequenos eletrodomésticos onde são requeridos torque elevado ou alta velocidade. Por este motivo, eles são usados em máquinas de furar elétricas, lixadoras e máquinas semelhantes, devido ao seu elevado torque. São empregados em bombas centrífugas, aspiradores de pó e dispositivos semelhantes por causa de sua elevada velocidade de funcionamento. Estes motores não usam enrolamentos compensadores.
A reatância da armadura é reduzida com o emprego de um enrolamento compensador embutido nas peças polares. Um enrolamento compensador ligado em série com a armadura é compensado condutivamente; um enrolamento compensa-
Os motores universais são também muito úteis porque (ao contrário dos motores de indução) sua velocidade pode ser controlada prontamente, pois ela depende da tensão de entrada e da carga.
O MOTOR DE C.A.
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6.8 - REVISÃO DE MOTORES DE C.A. 1 - CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE Quando três enrolamentos são distribuídos na carcaça do estator, separados por 120 graus, e uma C.A. trifásica é aplicada aos mesmos, os campos magnéticos gerados nos três enrolamentos se combinarão constituindo um campo magnético girante. 2 - ESTATOR TRIFÁSICO - Os campos magnéticos gerados nos motores trifásicos estão defasados 120°. Em qualquer instante, esses campos produzem um campo resultante que atua sobre o rotor. O rotor gira porque o campo magnético gira. A velocidade de rotação (N) do campo é dada pela expressão 120. f N
P
que conhecida como velocidade síncrona.
3 - MOTOR SÍNCRONO - Um motor síncrono usa um estator para gerar um campo magnético girante e um rotor eletromagnético alimentado por C.C. O rotor é um imã que é atraído pelo campo girante do estator. Esta atração exerce um torque sobre o rotor e faz com que ele gire em sincronismo com o campo. Os motores síncronos não são auto-suficientes na partida e devem ser trazidos próximo à velocidade síncrona antes de poderem continuar girando com seus próprios recursos.
4 - MOTOR DE INDUÇÃO - O motor de indução tem estator igual ao do motor síncrono. Seu rotor é diferente e não requer uma fonte de alimentação externa. Uma corrente é induzida no rotor pela ação do campo girante sobre os condutores do rotor. A corrente no rotor gera um campo magnético que interage com o campo do estator, do que resulta um torque sobre o rotor, fazendo-o girar. Os dois tipos de rotores usados nos motores de indução são o de gaiola e o enrolado.
5 - DESLIZAMENTO (SLIP) - O rotor de um motor de indução gira com uma velocidade menor do que a velocidade síncrona, de modo que o campo girante pode cortar os condutores do rotor e induzir nos mesmos uma corrente. A diferença percentual entre a velocidade síncrona (Ns) e a velocidade do rotor (Nr) é conhecida como deslizamento (S). Este varia muito pouco com as mudanças normais de carga, e, portanto, o motor de indução é considerado um motor de velocidade constante.
