Análise dos tipos de perdas em máquinas de corrente contínua

24 de junho de 2024 Luciano Bertene

As máquinas DC são componentes essenciais em diversas aplicações, desde processos industriais até sistemas de energia renovável. Porém, apesar de sua importância, essas máquinas não estão imunes a perdas durante a operação. Compreender os tipos de perdas em máquinas DC é fundamental para engenheiros e projetistas que buscam melhorar a eficiência, o desempenho e a confiabilidade geral do sistema. Este artigo analisa os diferentes tipos de perdas em máquinas DC e aborda suas causas, efeitos e possíveis estratégias de mitigação.

Tipos de perdas

As perdas de uma máquina de corrente contínua (gerador ou motor) podem ser divididas em três classes. Eles são

1. Perdas de cobre

2. Perdas de ferro ou núcleo e

3. Perdas mecânicas.

Todas essas perdas levam ao calor e, assim, aumentam a temperatura da máquina. Além disso, a eficiência do dispositivo é reduzida.

1. Perdas de cobre

Esta perda geralmente surge da corrente nos vários enrolamentos da máquina. As diferentes perdas do enrolamento são:

Perda de cobre da âncora = EU²_A R_A

Perda de cobre no campo shunt = EU²_ShR_Sh

Perda de cobre no campo em série = EU²_se R_se

Existem perdas adicionais de contato da escova devido à resistência de contato da escova (isto é, resistência no centro da superfície da escova e do comutador). Esta perda está largamente incluída na perda de cobre da âncora.

2. Perdas de ferro

Esta perda ocorre na armadura de uma máquina DC e é devida à rotação da armadura no campo magnético dos pólos. Existem dois tipos, a saber

(i) Perda de histerese

(ii) prejuízo atual de Eddy.

Perda de histerese

Perdas por histerese ocorrem no enrolamento da armadura da máquina CC porque qualquer parte da armadura é exposta ao campo magnético reverso à medida que passa sob os pólos seguintes. A figura acima mostra a máquina DC de 2 pólos com armadura rotativa. Observe uma seção pequena e baixa do enrolamento da armadura. Assim que a peça ab estiver sob o pólo N, as linhas magnéticas vão de a até b. Meia volta adiante, há um pedaço de ferro idêntico sob o pólo S, e as linhas magnéticas vão de b a a para inverter o magnetismo no ferro. Para inverter constantemente os ímãs moleculares no núcleo da armadura, uma certa quantidade de energia deve ser gasta, chamada perda de histerese. A fórmula de Steinmetz indica isso.

A fórmula de Steinmetz é:

Perda de histerese P_H=ηB¹⁶_Máx. fV watts

Onde,

η = coeficiente de histerese de Steinmetz

b_Máx. = Densidade máxima de fluxo no enrolamento da armadura

F = frequência de inversão da polaridade magnética

= NP/120 (N é dado em rpm)

V = volume da conexão em m³

Suponha que você queira reduzir essa perda em um CD. O núcleo da armadura da máquina é feito de materiais com um coeficiente de histerese de Steinmetz mais baixo, por ex. B. aço silício.

A perda atual de Eddy

Além das tensões criadas no condutor da armaduraoutras tensões são geradas no núcleo da âncora. Estas tensões criam correntes no núcleo da bobina, como mostrado na Fig. Estas são chamadas de correntes parasitas e a perda de potência devido ao seu fluxo é chamada de perda de correntes parasitas. Esta perda parece aumentar a temperatura da máquina e a eficiência diminui à medida que o calor aumenta.

Ao usar um núcleo de ferro fundido contínuo, a resistência ao caminho da corrente parasita é baixa devido à grande seção transversal do corpo. Conseqüentemente, a força da corrente parasita e as perdas por correntes parasitas são enormes. A intensidade da corrente parasita pode ser reduzida mantendo a resistência do núcleo o mais alta possível. As resistências do núcleo podem ser bastante aumentadas fazendo-se o núcleo com folhas de ferro finas e redondas chamadas laminações (ver ilustração). As laminações são isoladas umas das outras por uma camada de verniz. A camada isolante possui alta resistência; portanto, pouca corrente flui de uma laminação para outra. Além disso, como cada laminação é extremamente fina, a resistência à corrente que flui através da largura da laminação é bastante grande. Portanto, laminar um núcleo aumenta a resistência do núcleo, o que reduz a corrente parasita e, portanto, as perdas por correntes parasitas.

Perda de corrente parasita P_t=K_tb²_Máx.F²T²V watts

Onde k_t= constante

b_Máx.= Densidade máxima de fluxo em wb/m²

T = espessura da laminação em m

V = volume do núcleo em m³

constante (K_t) depende da resistência do núcleo e do sistema de medição utilizado.

Deve-se notar que a perda por correntes parasitas depende do quadrado da espessura da chapa. Por esta razão, a espessura da chapa deve ser a menor possível.

Perda mecânica

Essas perdas são devidas ao atrito e à resistência do ar.

As perdas por atrito surgem do atrito em rolamentos, escovas, etc.
O atrito do ar da bobina rotativa causa perda de ar.

Essas perdas dependem da velocidade da máquina. Exceto que a uma certa velocidade eles são muito mais consistentes.

Perdas constantes e variáveis

As perdas em uma máquina DC são divididas em (i) perdas constantes e (ii) perdas variáveis.

Perdas constantes

As perdas em um gerador CC que permanecem constantes sob todas as cargas são chamadas de perdas contínuas. As perdas operacionais em um gerador CC são:

a) Perdas de ferro

b) perdas mecânicas

c) Perdas de campo de derivação