UNIVERSIDADE SEVERINO SOMBRA ENGENHARIA ELETRICA - 7 PERIODO DISCIPLINA: MAQUINAS ELETRICAS PROF: ZAMBOTI Texto retirado de: CAVALCANTI, P.J.MENDES Editora Freitas Bastos , 2001. Fundamentos de Geradores de CC.

GERADORES DE CC ENROLAMENTO DE ARMADURA Neste tpico ser avaliado com os condutores esto dispostos nas ranhuras da armadura de um gerador CC, para que as tenses induzidas nos mesmos se somem de uma escova a outra. Ser avaliado sua ligao e conexo ao comutador. Os enrolamentos usados nos geradores de CC so de dois tipos: IMBRICADO e ONDULADO. Eles se diferenciam pela maneira como as extremidades das bobinas so ligadas aos segmentos do comutador ou pelo numero de ramos em paralelo entre as escovas positiva e negativa. Quando os extremos de uma bobina (com uma ou muitas espiras) so ligados a segmentos do comutador adjacentes ou prximos, dizemos que o enrolamento imbricado. As figuras a seguir mostram bobinas de uma espira ligadas a segmentos adjacentes ou prximos e um grupo de bobinas de um enrolamento imbricado; observe que as bobinas se sobrepem, o que uma caracterstica deste enrolamento.

Observe que nas figuras acima a armadura e o comutador aparecem com se tivessem sido distendidos horizontalmente. Este tipo de representao facilita a analise do enrolamento bem com de suas ligaes. Se os extremos de uma bobina forem ligados a segmentos do coletor separados por aproximadamente 360 graus eltricos ( o que equivale a 2 passos polares,como sera explicado mais adiante), diremos que se trata de um enrolamento ondulado.

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Antes de estudarmos com maiores detalhes os dois tipos de enrolamentos citados, consideremos a questo do numero de ramos em paralelo. Os enrolamentos mais simples so denominados SIMPLEX, sejam imbricados ou ondulados. Quando imbricado, os extremos de cada bobina (elemento do enrolamento) so ligados a segmentos do comutador adjacentes: quando ondulados, os extremos de cada bobina (elemento) so ligados a segmentos do comutador separados por uma distancia de aproximadamente dois passos polares. Estes enrolamentos proporcionam tantos ramos em paralelo quanto so os plos principais da maquina o que tambm determina o numero de escovas (ou conjunto de escovas), com exceo dos enrolamentos ondulados simplex, que sempre apresentam dois ramos em paralelo. O numero de ramos em paralelo uma caracterstica importante de uma maquina, pois a corrente total no enrolamento da armadura a soma das correntes nesses ramos. A figura a seguir mostra de forma simplificada um enrolamento imbricado de um gerador CC bipolar, cujo comutador tem 24 segmentos e o enrolamento da armadura constitudo por 24 bobinas.

Observe na figura anterior os dois ramos em paralelo e compare com os quatro ramos em paralelo na gravura abaixo, correspondente a uma maquina de quatro plos.

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Como foi dito, os enrolamentos ondulados simplex apresentam apenas dois ramos em paralelo, seja qual for o numero de plos do gerador CC.

Um enrolamento imbricado ou ondulado pode ser tambm MULTIPLEX (DUPLEX, TRIPLEX, etc.), isto , pode apresentar o dobro, o triplo etc. do numero de ramos em paralelo que constituem um enrolamento simplex correspondente. Para uma melhor compreenso, estudemos os exemplos seguintes:

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N de Plos da Maquina 2 2 2 2 2 2 6 6 8 8

Tipo de enrolamento IMBRICADO SIMPLEX ONDULADO SIMPLEX IMBRICADO DUPLEX ONDULADO DUPLEX IMBRICADO TRIPLEX ONDULADO TRIPLEX IMBRICADO DUPLEX ONDULADO DUPLEX IMBRICADO TRIPLEX ONDULADO TRIPLEX

N de ramos em paralelo 2 2 4 4 6 6 12 4 24 6

facil concluir que h as seguintes relaes nos dois tipos de enrolamentosNo.de.ramos.em. paralelo.no.enrolamento.imbricado = grau.de.multiplicidade.x.No.de. polos No.de.ramos.em. paralelo.no.enrolamento.ondulado = grau.de.multiplicidade.x.2 As bobinas que constituem o enrolamento so geralmente feitas com auxilio de maquinas especiais, e constam de varias espiras,nas maquinas pequenas o enrolamento pode ser feito manualmente. Estas bobinas tem aproximadamente a forma de um hexgono,em que dois lados tem maior comprimento e correspondem aos lados da bobina que so encaixados nas ranhuras da armadura. Um desses lados fica sempre em um nvel mais elevado, pois na execuo do enrolamento da armadura um lado da bobina fica no fundo de uma ranhura e o outro fica na parte superior de outra ranhura, apoiado sobre um dos lados de uma outra bobina.

No importa qual lada de uma bobina colocado na parte superior ou inferior de uma ranhura, porem e importante que um lado fique na parte superior e outro na inferior. Em um desenho, costuma-se numerar os lados das bobinas, designando os superiores com nmeros impares e os inferiores com nmeros pares. Um enrolamento como o da figura anterior, em que h dois lados de bobina por ranhura, conhecido como ENROLAMENTO DE CAMADA DUPLA. Convm lembrar

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que cada lado da bobina normalmente constitudo por vrios condutores, pois cada bobina pode ter varias espiras. O que acabamos de descrever se aplica tanto as bobinas para enrolamento imbricado como as bobinas para enrolamento ondulado. A nica diferena que se nota na maneira como saem da bobina os condutores que correspondem aos seus extremos. Na bobina imbricada saem de um dos vrtices do hexgono, enquanto que na ondulada cada condutor o prolongamento de um dos lados (colocados em ranhuras) da bobina.

A diferena em apreo determinada pelo fato de que nos enrolamentos imbricados os lados de uma bobina so ligados a segmentos do coletor adjacentes ou prximos, enquanto que nos enrolamentos ondulados so ligados a segmentos do coletor que ficam separados por aproximadamente 360 graus eltricos.

Dados necessrios a execuo do enrolamentoVejamos inicialmente algumas definies: PASSO POSTERIOR (Y1) distancia entre os lados de uma bobina. dado em lados de bobinas e sempre numero impar. PASSO ANTERIOR (Y2) distancia entre dois lados de bobinas ligados ao mesmo segmento do coletor. dado em lados de bobinas e sempre um numero impara PASSO DO ENROLAMENTO (Y) no enrolamento imbricado igual a Y1-Y2, e sempre igual a 2. No enrolamento ondulado igual a Y1+Y2 e, portanto, sempre um numero par. PASSO DO COLETOR distancia entre os dois segmentos do coletor aos quais soa ligados os extremos de uma bobina PASSO POLAR distancia entre os centros de dois plos principais adjacentes O passo posterior de uma bobina sempre corresponde a uma distancia igual (ou praticamente igual) a que existe entre os centro de dois polos adjacentes. O passo posterior de um enrolamento imbricado calculado pela expresso: No.de.lados.de.bobina Y1 = k No.de. polos sendo k = numero que deve ser usado para que Y1 se torne um numero impar O valor de Y1 considerado, geralmente, menor do que um passo polar. Enrolamentos com passos posteriores maiores do que o passo polar so raramente usados, porque o efeito o mesmo e a quantidade de material empregado maior. Quando o enrolamento imbricado constitudo por bobinas mltiplas (estudadas mais adiante), o valor de Y1 deve ser tal que o resultado da expresso abaixo seja um numero inteiro, para que o enrolamento seja possvel de ser executado:

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(Y 1 1)Lados.de.bobinas. por.ranhura

= numero. int eiro

O passo anterior de um enrolamento imbricado sempre igual a Y1-Y. No enrolamento imbricado, o passo do coletor depende do grau de multiplicidade; se o enrolamento simplex, os extremos de uma bobina so ligados a laminas adjacentes do coletor; se DUPLEX, os extremos so ligados as laminas 1 e 3; se TRIPLEX, as laminas 1 e 4, etc. Para determinar os elementos necessrios a execuo de um ENROLAMENTO ONDULADO, achamos inicialmente o passo do enrolamento com a expresso abaixo: No.de.lados.de.bobina (2 xgrau.de.multiplicade ) Y= No.de. polos OBS: O Valor de Y deve ser um numero par, para que seja possvel efetuar um enrolamento ondulado. Depois de obtido o passo do enrolamento, dividimo-lo em duas partes iguais (ou aproximadamente iguais), cada parte sendo um numero impar. Os dois valores assim determinados so os PASSOS POSTERIOR E ANTERIOR do enrolamento ondulado. importante lembrar que aqui tambm se aplica a condio j estudada para que um enrolamento imbricado com bobinas mltiplas possa ser realizado. Y Yc = 2 Este passo deve ser aproximadamente igual a 360 graus eltricos, pois se for exatamente igual o enrolamento se fechara com apenas uma volta, isto , partindo de um segmento do coletor para um lado de bobina, de uma lado de bobina para um segmento,etc., voltaremos ao segmento inicial (fecharemos o enrolamento) com apenas uma volta, sem completar o enrolamento. Em certos casos no possvel executar um enrolamento ondulado. As duas regras abaixo resumem observaes feitas em projetos de enrolamentos: 1a) TODAS AS MAQUINAS DE 4 E 8 POLOS DEVEM TER COMUTADOR COM UM NUMERO IMPAR DE SEGMENTOS, PARA QUE POSSAM RECEBER (EM SUA ARMADURA) UM ENROLAMENTO ONDULADO SIMPLEX. 2a) DE MODO GERAL, PARA QUE A ARMADURA DE UMA MAQUINA POSSA RECEBER UM ENROLAMENTO ONDULADO SIMPLEX, O NUMERO DE SEGMENTOS DO COLETOR NO DEVE SER DIVISIVEL PELO NUMERO DE PARES DE POLOS.

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Enrolamentos Progressivos e RegressivosO enrolamento progressivo quando avana no sentido do movimento dos ponteiros de um relgio, a medida que e executado de bobina para bobina e de segmento do coletor para segmento do coletor. regressivo quando avana em sentido contrario ao do movimento dos ponteiros de um relgio. Um enrolamento imbricado progressivo quando o passo posterior maior do que o passo anterior; regressivo quando o passo posterior menor do que o passo anterior.

Um enrolamento ondulado progressivo quando utilizamos o sinal (+) na equao abaixo, que, como j foi dito, serve para determinar o passo do enrolamento; regressivo quando utilizamos o sinal (-). Em outras palavras, se aps completar uma volta na armadura o enrolamento ligado a um segmento do coletor a esquerda do ponto de partida, dizemos que o enrolamento e regressivo. Se o enrolamento for ligado a um segmento a direita do ponto de partida, chamado progressivo. (2 xgrau.de.multiplicidade) No.de.lados.de.bobinas pares.de. polos

ReentrnciaOs enrolamentos dos geradores de CC constituem circuitos fechados, isto , sempre terminam no ponto em que foram iniciados. Quando o enrolamento ONDULADO SIMPLEX ou IMBRICADO SIMPLEX, necessrio completar realmente o enrolamento, para que este se feche, isto , para que haja o retorno ao segmento do coletor em que o enrolamento foi iniciado; estes enrolamentos so conhecidos como REENTRANTES SIMPLES. Em maquinas com enrolamentos DUPLEX, TRIPLEX, QUADRUPLEX,etc. , pode acontecer que o enrolamento se feche antes de ser completado o enrolamento da armadura, sendo necessrio reiniciar o trabalho a partir do segmento adjacente. Este processo pode ter que ser repetido varias vezes, ate a armadura ficar com o seu enrolamento concludo. O GRAU DE REENTRANCIA de um enrolamento dado pelo Maximo divisor comum do numero de laminas do coletor e do passo do coletor. Um enrolamento DUPLEX pode apresentar reentrncia simples ou dupla; um enrolamento TRIPLEX pode ter reentrncia simples ou tripla, porem nunca reentrncia dupla. 8

O grau de reentrncia de um enrolamento deve ser conhecido, quando da localizao de defeitos, porem no tem maior importncia quanto a operao da maquina.

Bobinas mltiplasQuando o numero de laminas do coletor um mltiplo do numero de ranhuras, cada bobina formada por varias bobinas, e em cada ranhura existem 2,4, etc. lados de bobinas (cada bobina, por sua vez, pode ser formada por varias espiras).

Esta caracterstica, encontrada de modo geral nas maquinas modernas, traz vantagens significativas, pois a tensao entre as laminas adjacentes do coletor se torna menor e a armadura apresenta maior resistncia mecnica, devido ao menor numero de ranhuras. Os clculos para execuo dos enrolamentos so, porem, semelhantes. Num enrolamento deste tipo tudo se passa como se duas ou mais ranhuras adjacentes (de acordo com a razo NUMERO DE SEGMETOS/NUMERO DE RANHURAS), fossem transformadas em apenas uma.

Bobinas fantamasEstas bobinas, quase sempre componentes de bobinas mltiplas, so empregadas nas armaduras em que a razo segmentos de coletor/ranhuras no igual a um inteiro. Algumas armaduras no podem receber um enrolamento ondulado, a no ser com bobinas fantasmas. Elas so bobinas sem funo eltrica (circuito aberto) e, portanto, sem ligao com o resto do enrolamento; sua funo manter o equilbrio mecnico da armadura.

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Anis equipotenciaisEm um enrolamento imbricado h sempre correntes circulando entre partes do mesmo, a no ser que sejam utilizados ANEIS EQUIPOTENCIAIS. Isto se deve ao fato de que as tenses induzidas nos diversos ramos do enrolamento no so geralmente, iguais principalmente em conseqncia das diferenas nos diversos caminhos do circuito magntico da maquina, devido ao desgaste dos mancais e por outras razoes. Nestas condies, existiro correntes mesmo quando a maquina no estiver alimentando um circuito externo. Isto sobrecarrega as escovas quando o gerador esta a plena carga, produzindo centelhamento. Os anis so condutores de cobre de resistncia extremamente baixa, que unem pontos do enrolamento da armadura separados por 360 graus eltricos. Isto que dizer que so ligadas ao mesmo anel equipotencial as bobinas que ocupam a mesma posio em relao aos plos. Em condies ideais, esses pontes deveriam estar no mesmo potencial, mas fatores eltricos,magnticos e mecnicos impedem que isto ocorra. Os anis equipotenciais quase sempre ligam segmentos do coletor e no lados de bobinas, e as ligaes so feitas antes da execuo do enrolamento da armadura. Eles so devem ser usados quando o numero de bobinas e mltiplo do numero de plos. Cada bobina deveria ser ligada a um anel, mas se obtem resultados satisfatrios ligando cada terceira bobina. As ligaes so distribudas uniformemente quando o numero de bobinas por plo divisvel pelo PASSO DA LIGAO=3.

Enrolamento Frog-LegEste enrolamento uma combinao de um enrolamento imbricado SIMPLEX com um enrolamento ondulado MULTIPLEX.; o grau de multiplicidade do enrolamento ondulado deve ser tal que o seu numero de ramos em paralelo seja igual ao do enrolamento imbricado. Por exemplo, uma maquina de 8 polos com enrolamento FROG-LEG teria um enrolamento imbricado simplex (com 8 ramos em paralelo) e um ondulado quadruplex (tambm com 8 ramos em paralelo). Cada bobina deste enrolamento constituda por uma seo ondulada e uma seo imbricada. Os terminais da seo imbricada so ligados a laminas adjacentes do coletor, e os terminais da seo ondulada so ligados a laminas do coletor separadas por 360 graus eltricos. Deste modo, as bobinas so ligadas em serie, alternadamente.

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Este tipo de enrolamento foi criado por engenheiros da Allis-Chalmers Manufacturing Company para substituir o enrolamento imbricado com anis equipotenciais. O enrolamento frog-leg mais barato e mais fcil de ser reparado. Convem lembrar ainda que num gerador os anis equipotenciais representam mais material sem acrscimo na tenso produzida. Como vimos, as bobinas so ligadas em serie, alternando-se as bobinas imbricadas e onduladas. Se considerarmos duas dessas bobinas em serie, os dois extremos livres so ligados a segmentos do coletor separados por 360 graus eltricos. Isto faz com que o enrolamento se porte como um enrolamento imbricado com todos os anis equipotenciais possveis. Numa maquina com enrolamento frog-leg, o numero de segmentos do coletor dividido pelo numero de pares de plos deve dar um resultado inteiro. Alem disso, o numero de laminas do coletor deve ser escolhido de modo que o valor do passo do enrolamento (Y1), dado pela equao abaixo, seja um numero par: 2 xgrau.de.multiplicidade Y = 2 xNo.de.la min as.do.coletor paress.de. polos 2 x numero de laminas do coletor = Numero de lados de bobinas Essa equao, como j vimos, permite verificar se o enrolamento ondulado possvel de ser executado. Se a razo RANHURAS/POLOS for igual a um numero inteiro, o passo posterior da seo imbricada deve ser igual ao passo posterior da seo ondulada. 11

Escovas (algumas observaes)Nas maquinas com enrolamento imbricado, o numero de escovas (ou conjunto de escovas) sempre igual ao numero de plos principais. Quando o enrolamento da armadura ondulado, a maquina pode ter apenas duas escovas (ou conjunto de escovas), independente do numero de plos. Entretanto, qualquer numero de escovas (ou conjuntos) pode ser usado ate o limite do numero de plos da maquina Quando o enrolamento da maquina multiplex, o numero de segmentos do coletor cobertos por uma escova deve ser igual ao grau de multiplicidade do enrolamento.

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