Maq Termicas

Capítulo III

Estudo da comutação das máquinas CC

3.1 - Fenômenos que prejudicam a comutação

A comutação ideal numa máquina de corrente contínua ocorre quando a força eletromotriz na bobina em comutação é nula. Desta forma não haverá corrente quando a escova curto-circuitar a bobina durante a comutação. Há, no entanto, fenômenos indesejáveis que vem a prejudicar a comutação principalmente pela geração de f.e.m. na bobina em comutação. São eles:

• Reação da armadura

• Auto-indução na bobina em comutação

• Mútua-indução entre bobinas em comutação

• Outras causas elétricas e mecânicas.

3.1.1 - Reação magnética da armadura

A reação da armadura é o conjunto de fenômenos originados na ação do campo magnético da corrente de armadura sobre o campo magnético principal (dos pólos indutores).

Na fig. 1.46 a tem-se o sentido da f.m.m. dos pólos (Ff) agindo sozinho no motor. Nota-se que o fluxo distribui-se de forma equilibrada em toda a extensão da sapata polar. A indução é portanto praticamente constante ao longo do entreferro sob toda a sapata polar. A zona neutra pode ser encontrada traçando-se uma perpendicular às linhas de força que passe no eixo do motor. Ela está portanto eqüidistante dos pólos, como sempre foi anunciado até agora.

Supondo-se que a corrente imposta na armadura seja tal que o motor gire no sentido horário tem-se a f.m.m. da armadura (Fa) agindo como indicado na fig.3.1b.

A f.m.m. da armadura tem portanto direção transversal ao sentido das linhas de força dos pólos (fechando-se através das sapatas polares) e módulo proporcional à carga no eixo.

A fig. 3.1c mostra a soma vetorial das duas f.m.m. produzindo uma resultante inclinada em relação ao eixo direto (eixo polar). Desta forma a distribuição de fluxo assume a forma mostrada na fig. 3.1d onde se percebe um adensamento de fluxo no canto de entrada e uma rarefação no canto de saída do pólo. Isto pode ser resumido nos seguintes efeitos:

EFEITOS DA REAÇÃO DA ARMADURA

1) Deslocamento da zona neutra. Isto acontece em sentido contrário a rotação do motor de um ângulo variável conforme a carga (tipicamente 18) e produz uma força eletromotriz rotacional na bobina em comutação que causará faiscamento. Percebe-se que o sentido da força eletromotriz e1 é o mesmo que a corrente tinha naquela bobina antes dela entrar em comutação.

(3.1)

2) Alteração na distribuição espacial da indução no entreferro. Há um aumento da indução no canto da entrada da sapata e uma redução no canto da saída. Isto causa a indução de f.e.m.s bem mais elevadas na primeira região em relação a média podendo vir a perfurar o isolamento entre lâminas do comutador caso ultrapasse 30 Volts.

3) Pequena redução do fluxo líquido dos pólos. Como o aumento da indução no canto da entrada leva o ferro à saturação há um aumento de relutância total do circuito magnético causando uma redução no fluxo dos pólos (p). Esta redução de fluxo causa redução de força eletromotriz no gerador e aumento da velocidade nos motores.

3.1.2 - Auto-indução na bobina em comutação

A auto-indução é um fenômeno que só ocorre na bobina em que a corrente está variando. (fig.2.1- p.38) Durante a comutação a corrente deve passar de um valor inicial ( Ia/a ) para zero e depois ir para o valor final contrário ao anterior (- Ia/a ). Durante o primeiro intervalo gera-se uma f.e.m. de origem variacional tendendo a manter a corrente constante no valor inicial. No segundo momento a f.e.m. tende a impedir o crescimento da corrente no outro sentido. Nota-se então que o sentido da f.e.m. auto-induzida “encoraja” a corrente a se manter no sentido original o que vem somar-se àquela f.e.m. criada pela reação da armadura piorando o faiscamento.

Fig. 3.2 - Auto-indução na bobina em comutação

O valor da f.e.m. auto-induzida obedece à equação já conhecida da auto-indução :

e2 = - L.i/t (3.2)

onde: e2 = f.e.m. auto-induzida na bobina em comutação.

L = Indutância de dispersão da bobina da armadura.

i/t = velocidade de variação da corrente .

A indutância pode ser obtida através da relutância ou da permeância ao fluxo disperso da bobina:

L = N2/ (3.3)

onde: N = Número de espiras de cada bobina da armadura

Das afirmações acima se pode afirmar que a f.e.m. auto-induzida depende:

a) inversamente da relutância de dispersão da ranhura.

b) quadraticamente do número de espiras da bobina.

c) diretamente da corrente de armadura.

d) diretamente da velocidade da máquina.

Fig. 3.3 - Formas construtivas das ranhuras e sua influência na auto-indução

A ranhura da fig.3.3a tem grande relutância ao fluxo disperso porém causa um efeito de ranhura acentuado e indesejável. A ranhura b produz baixa relutância de dispersão e causa alta f.e.m. de auto-indução. A terceira ranhura é a que geralmente é usada nas máquinas CC pois tem uma relutância de ranhura razoavelmente alta e não tem quase efeito de ranhura.

Bobinas com grande número de espiras geram mais f.e.m. quando a corrente é invertida.

Quando a carga ao motor é aumentada a corrente de armadura é aumentada e piora o faiscamento. Problema semelhante ocorre com máquinas que trabalhem em alta velocidade pois o tempo para a inversão da corrente é muito pequeno.

3.1.3 - Mútua-indução entre as bobinas em comutação

Quando uma bobina entra em comutação com uma escova há também outra bobina em comutação na outra escova. Se as bobinas têm passo pleno ocorre que seus lados ativos encontram-se nas mesmas ranhuras e os seus fluxos concatenam-se mutuamente. O fluxo de uma bobina, ao variar, induz f.e.m. de mútua -indução ( e3 ) na outra bobina em comutação.

( 3.4)

onde: e3 = f.e.m. de mútua indução;

M = indutância mútua entre as bobinas em comutação.

A indutância mútua depende da relutância existente no caminho que o fluxo disperso de uma bobina tem que percorrer para alcançar a outra bobina.

( 3.5 )

Neste caso, com passo pleno, as duas bobinas estão juntas dentro da mesma ranhura o que causa uma pequena relutância e uma grande mútua-indução.

O sentido da f.e.m. de mútua-indução é o mesmo da f.e.m. auto-induzida e também depende da carga logo foi criado um conceito de f.e.m. de reatância ou tensão de reatância para representá-las em conjunto.

er = e2 + e3 ( 3.6 )

3.1.4 - Outras causas de faiscamento

Elétricas:

* Corrente de campo pulsante ou alternada: Acontece quando o campo é alimentado por retificador monofásico ou alimentado em CA (no caso motor série).

* Corrente de armadura pulsante ou alternada: Ocorre quando, em pequenos motores CC, a armadura é alimentada por retificador monofásico e no caso de motor série ligado em CA.

Mecânicas:

• Mau contato entre escovas e comutador provocado por sujeiras, irregularidades, vibrações, etc.

• Pouca pressão nas escovas causada por escovas gastas ou por "molas cansadas".

3.2 - Artifícios usados para corrigir a comutação

3.2.1 - Deslocamento das escovas

Uma das formas mais elementares de corrigir a comutação é deslocar as escovas acompanhando o deslocamento da zona neutra, ou seja, deslocá-las em sentido contrario à rotação do motor. Tem, no entanto, problemas operacionais tais como:

• As cargas variáveis exigem mudanças freqüentes nas escovas.

• Nas máquinas de pequena potência as escovas são fixas numa posição adequada a  2/3 de plena carga.

3.2.2 - Uso de escovas resistivas

O aumento da resistividade da escova limita a corrente de curto-circuito e diminui o faiscamento, no entanto causa aquecimento demasiado pela passagem da corrente normal da armadura. Este método só é usado em pequenas máquinas como eletrodomésticos e máquinas ferramentas.

Cada material tem uma função nas escovas:

Carvão, Grafite  Aumenta resistividade

Metal (cobre)  Aumenta condutibilidade e dissipação de calor

Grafite  Reduz atrito

3.2.3 - Subdivisão das bobinas induzido

Sabe-se que todas as f.e.m.s indesejáveis são dependentes do número de espiras da bobina em comutação conforme mostrado abaixo:

(3.7)

O número de espiras relaciona-se com o número de condutores ativos da seguinte maneira:

Za = (NB*N)*2 (3.8)

onde: N = número de espiras de cada bobina.

NB = número de bobinas da armadura ( NB = NC )

Za = número de condutores ativos da armadura

Como NB=NC deve-se aumentar o número de lâminas do comutador para aumentar o número de bobinas e então reduzir o número de espiras em cada bobina (N) sem alterar o número de condutores da armadura (Za) (o qual é uma função da tensão nominal da armadura) .

A armadura mais simples, sem correção tem NC = NR porém o aumento de número de lâminas em relação às ranhuras (NC = 2.NR; NC = 3.NR; NC = 4.NR etc ) reduz todas as f.e.m.s indesejáveis e melhora a comutação.

3.2.4 - Uso de bobina de passo encurtado

A mútua-indução entre as bobinas em comutação deve-se à proximidade entre os lados ativos das mesmas. Ao reduzir o passo de bobina os lados ativos das bobinas em comutação estão em ranhuras diferentes e o fluxo disperso de um praticamente não se enlaça com as espiras da outra, praticamente anulando a mútua-indução.

3.2.5 - Uso de interpólos

Os interpólos são pequenos pólos auxiliares colocados na região interpolar. Sua função é gerar na bobina em comutação uma força eletromotriz eip que cancele as forças eletromotrizes indesejáveis e1, e2 e e3. Estas forças eletromotrizes têm o mesmo sentido que a corrente tinha na bobina antes dela entrar em comutação. Os interpólos devem produzir uma força eletromotriz igual e contrária para anular o faiscamento , para isto devem ter a mesma polaridade dos pólos principais que os antecedem (observando sentido de rotação do motor).

Para ter uma correção automática os interpólos devem ter seus enrolamentos em série com a armadura e serem constituídos de poucas espiras de fio grosso.

O ajuste final do fluxo dos interpólos pode ser feito por meio de calços magnéticos e não-magnético colocados entre eles e a carcaça. Todas as máquinas C.C. usam interpólos com exceção das de potência fracionária.

3.2.6 - Uso de enrolamento compensador

Os enrolamentos compensadores são colocados nas sapatas polares de forma a terem corrente em sentido contrário a corrente de armadura cancelando a f.m.m. da armadura (Fa) e anulado a reação da armadura. Desta forma a distribuição espacial de indução fica inalterada com carga ou a vazio. Os enrolamentos devem ficar em série com a armadura para ter correção automática.

Não é dispensado o uso de interpólos porque ainda persistem a auto e mútua indução nas bobinas de comutação .

São usados em máquinas de grande potência (P  200 kW), onde houver variações bruscas de carga ou quando se desejar trabalhar o fluxo muito fraco .

Tanto os interpólos quanto os enrolamentos compensadores são geralmente ligados em série com a armadura de maneira definitiva não sendo necessário religá-los para inverter o sentido de rotação ou para trabalhar como gerador.

Exercícios propostos

3.1 - Cite a circunstância ideal em que deve estar a bobina da armadura durante a comutação .

3.2 - Defina reação da armadura.

3.3 - Descreva como pode-se obter, graficamente, a posição da zona neutra numa máquina elétrica.

3.4 - Comente o deslocamento da zona neutra causado pela reação da armadura num motor CC.

3.5 - Cite o sentido da f.e.m. induzida na bobina em comutação devido à reação da armadura.

3.6 - Comente a alteração da distribuição espacial da indução no entreferro causada pela reação da armadura num motor CC.

3.7 - Justifique porque a reação da armadura reduz um pouco o fluxo dos pólos.

3.8 - Cite a origem da f.e.m. auto-induzida na bobina em comutação .

3.9 - Cite o sentido da f.e.m. auto-induzida na bobina em comutação.

3.10 - Cite os fatores que influem diretamente no valor da f.e.m. auto-induzida.

3.11 - Descreva de que modo o perfil da ranhura influencia na f.e.m. auto-induzida.

3.12 - Comente a f.e.m. de mútua-indução entre as bobinas em comutação.

3.13 - Justifique porque a bobina de passo pleno produz a máxima f.e.m. de mútua-indução entre

as bobinas em comutação.

3.14 - Defina f.e.m. ou tensão de reatância.

3.15 - Cite outras causas de origem elétrica e de origem mecânica que vem a acentuar o faiscamento que ocorre na comutação das máquinas CC.

3.16 - Cite os problemas operacionais que dificultam a correção da comutação pelo deslocamento das escovas.

3.17 - Justifique porque o uso de escovas de resistividade maior, tais como de carvão, diminuem o faiscamento na comutação.

3.18 - Cite o problema principal causado pelo uso de escovas de carvão em máquinas de média e grande potência.

3.19 - Justifique porque o aumento do número de lâminas do comutador reduz o faiscamento na comutação.

3.20 - Justifique porque a armadura tendo bobinas de passo encurtado produz uma menor mútua-indução entre as bobinas em comutação.

3.21 - Descreva como agem os interpólos num motor CC, como devem ser ligados em relação à armadura ou aos pólos e quais devem ser as suas polaridades em relação aos pólos principais.

3.22 - Ponha na figura do motor CC todos os sentidos de fluxo, corrente, f.e.m., etc. de forma a explicar o funcionamento dos interpólos no motor girando no sentido anti-horário.

3.23 - Descreva o que deve ser feito com as ligações dos interpólos em relação à armadura se um motor CC necessita ter o seu sentido de rotação invertido.

3.24 - Descreva onde são colocados os enrolamentos compensadores, como são ligados e como funcionam.