O que é comutação: princípio de funcionamento, efeitos em máquinas DC

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Em nossa vida diária, o uso de máquinas DC para nossas necessidades do dia a dia se tornou uma coisa comum. Máquina DC é um conversão de energia dispositivo que faz conversões eletromecânicas . Existem dois tipos de máquinas DC - os motores DC e os Geradores DC . Os motores CC convertem energia elétrica CC em movimento mecânico, enquanto os geradores CC convertem o movimento mecânico em energia CC. Mas o problema é que a corrente gerada em um gerador DC é AC, mas a saída do gerador é DC !! Da mesma forma, o princípio do motor é aplicável quando a corrente na bobina alterna, mas a potência aplicada a um motor DC é DC !! Então, como essas máquinas estão funcionando? A resposta a essa maravilha é o pequeno dispositivo denominado “Comutador”.

O que é comutação?

A comutação em máquinas CC é o processo pelo qual ocorre a reversão da corrente. No gerador DC, este processo é usado para converter a AC induzida nos condutores em uma saída DC. Em motores DC, a comutação é usada para inverter as direções de corrente contínua antes de ser aplicado nas bobinas do motor.




Como ocorre o processo de comutação?

O aparelho denominado Commutator auxilia neste processo. Vejamos o funcionamento de um motor DC para entender o processo de comutação. O princípio básico sobre o qual um motor funciona é a indução eletromagnética. Quando a corrente passa por um condutor, ela produz linhas de campo magnético ao seu redor. Também sabemos que quando um norte magnético e um sul magnético se enfrentam, as linhas magnéticas de força se movem do ímã do Pólo Norte para o ímã do Pólo Sul, conforme mostrado na figura abaixo.

Linhas Magnéticas de Forças

Linhas Magnéticas de Forças



Quando o condutor com um campo magnético induzido ao seu redor, é colocado no caminho dessas linhas de força magnética, ele bloqueia seu caminho. Portanto, essas linhas magnéticas tentam remover esse obstáculo movendo-o para cima ou para baixo, dependendo da direção da corrente no motorista . Isso dá origem ao efeito motor.

Efeito motor na bobina

Efeito motor na bobina

Quando um Bobina eletromagnética é colocado entre dois magnéticos com o norte voltado para o sul de outro ímã, as linhas magnéticas movem a bobina para cima quando a corrente está em uma direção e para baixo quando a corrente na bobina está na direção reversa. Isso cria o movimento rotatório da bobina. Para mudar a direção da corrente na bobina, dois metais em forma de meia-lua são fixados em cada extremidade da bobina, chamados de comutador. Escovas de metal são colocadas com uma extremidade conectada à bateria e a outra extremidade conectada aos comutadores.

motor DC

motor DC

Comutação na máquina DC

Cada bobina de armadura contém dois comutadores conectados em sua extremidade. Para a transformação da corrente, os segmentos do comutador e as escovas devem manter um contato em movimento contínuo. Para obter valores de saída maiores, mais de uma bobina é usada nas máquinas CC. Portanto, em vez de um par, temos vários pares de segmentos de comutador.


Comutação DC

Comutação DC

A bobina é curto-circuitada por um período muito curto de tempo com a ajuda de escovas. Este período é conhecido como período de comutação. Consideremos um motor DC em que a largura das barras do comutador é igual à largura das escovas. Deixe a corrente fluindo através do condutor ser Ia. Sejam a, b, c os segmentos do comutador do motor. A reversão da corrente na bobina. processo de comutação pode ser compreendido pelas etapas abaixo.

Posição-1

posição 1

posição 1

Deixe a Armadura começar a girar e a escova se moverá sobre os segmentos do comutador. Deixe a primeira posição do contato do comutador de escova no segmento b, conforme mostrado acima. Como a largura do comutador é igual à largura da escova, na posição acima as áreas totais do comutador e da escova estão em contato uma com a outra. A corrente total conduzida pelo segmento do comutador na escova nesta posição será 2Ia.

Posição-2

Agora a armadura gira para a direita e a escova entra em contato com a barra a. Nesta posição, a corrente total conduzida será 2Ia, mas a corrente na bobina muda. Aqui, a corrente flui através de dois caminhos A e B. 3/4 do 2Ia vem da bobina B e 1/4 restante vem da bobina A. Quando KCL é aplicada no segmento aeb, a corrente através da bobina B é reduzida para Ia / 2 e a corrente puxada através do segmento a é Ia / 2.

posição 2

posição 2

Posição-3

Nesta posição, metade da escova, uma superfície está em contato com o segmento a e a outra metade está com o segmento b. Como a corrente total drenada pela escova é 2Ia, a corrente Ia é puxada pela bobina A e Ia é puxada pela bobina B. Usando KCL podemos observar que a corrente na bobina B será zero.

posição 3

posição 3

Posição-4

Nesta posição, um quarto da superfície da escova estará em contato com o segmento be três quartos com o segmento a. Aqui, a corrente puxada pela bobina B é - Ia / 2. Aqui podemos observar que a corrente na bobina B é invertida.

posição 4

posição 4

Posição-5

Nesta posição, a escova está em contato total com o segmento a e a corrente da bobina B é Ia, mas é na direção inversa à direção da corrente da posição 1. Assim, o processo de comutação é concluído para o segmento b.

posição 5

posição 5

Efeitos da Comutação

O cálculo é chamado de comutação ideal quando a reversão da corrente é concluída no final do período de comutação. Caso a reversão da corrente seja completada durante o período de comutação, ocorre faísca no contato das escovas e ocorre superaquecimento danificando a superfície do comutador. Este defeito é denominado Máquina Fracamente Comutada.

Para evitar esse tipo de defeito, existem três tipos de métodos para melhorar a comutação.

  • Comutação de resistência.
  • Comutação EMF.
  • Enrolamento de compensação.

Comutação de resistência

Para resolver o problema de má comutação, o método de comutação de resistência é aplicado. Neste método, escovas de cobre de menor resistência são substituídas por escovas de carvão de maior resistência. A resistência aumenta com a diminuição da área da seção transversal. Portanto, a resistência do segmento posterior do comutador aumenta à medida que a escova se move em direção ao segmento principal. Conseqüentemente, o segmento líder é mais favorecido para o caminho atual e uma grande corrente segue o caminho fornecido pelo segmento líder para chegar ao pincel. Isso pode ser bem compreendido observando nossa figura abaixo.

Na figura acima, a corrente da bobina 3 pode tomar dois caminhos. Caminho 1 da bobina 3 para a bobina 2 e segmento b. Caminho 2 da bobina 2 em curto-circuito, em seguida, bobina 1 e segmento a. Quando as escovas de cobre são usadas, a corrente tomará o caminho 1 devido à menor resistência oferecida pelo caminho. Mas quando escovas de carvão são usadas, a corrente prefere o Caminho 2 porque à medida que a área de contato entre a escova e o segmento diminui, a resistência aumenta. Isso interrompe a reversão precoce da corrente e evita faíscas na máquina CC.

Comutação EMF

A propriedade de indução da bobina é uma das razões para a lenta reversão da corrente durante o processo de comutação. Este problema pode ser resolvido neutralizando a voltagem de reatância produzida pela bobina, produzindo o e.m.f reverso na bobina de curto-circuito durante o período de comutação. Esta comutação EMF também é conhecida como comutação de tensão.

Isso pode ser feito de dois métodos.

  • Pelo método de deslocamento da escova.
  • Usando postes de comutação.

No método de deslocamento da escova, as escovas são deslocadas para frente no gerador DC e para trás no motor DC. Isso estabelece um fluxo na zona neutra. Como a bobina de comutação está cortando o fluxo, uma pequena tensão é induzida. Como a posição da escova deve ser mudada para cada variação na carga, este método raramente é preferido.

No segundo método, são usados ​​pólos de comutação. Estes são os pequenos pólos magnéticos colocados entre os pólos principais montados no estator da máquina. Eles são conectados em série com a armadura. Como a corrente de carga causa e.m.f. , esses pólos de comutação neutralizam a posição do campo magnético.

Sem esses pólos de comutação, as ranhuras do comutador não ficariam alinhadas com as porções ideais do campo magnético conforme a posição do campo magnético muda devido ao e.m.f. Durante o período de comutação, esses pólos de comutação induzem um e.m.f na bobina de curto-circuito que se opõe à tensão de reatância e dá comutação sem faísca.

A polaridade dos pólos de comutação é a mesma que o pólo principal situado próximo a ele para o gerador, enquanto a polaridade dos pólos de comutação é oposta aos pólos principais do motor.

Aprendendo sobre o comutador descobrimos que este pequeno dispositivo desempenha um papel significativo no funcionamento adequado das máquinas DC. Não apenas como conversor de corrente, mas também para o funcionamento seguro das máquinas sem danos por faíscas, os comutadores são dispositivos muito úteis. Mas com o crescente desenvolvimento da tecnologia, os comutadores estão sendo substituídos por novas tecnologias. Você pode citar a nova técnica que substituiu os comutadores nos últimos dias?