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MÁQUINAS ELÉTRICAS Máquina de Corrente Contínua - GERADOR DC Os geradores de corrente contínua são máquinas cc/dc usadas como geradores. É importante lembrar.

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1 MÁQUINAS ELÉTRICAS Máquina de Corrente Contínua - GERADOR DC Os geradores de corrente contínua são máquinas cc/dc usadas como geradores. É importante lembrar que não existe diferença entre o gerador e o motor, exceto pela direção do fluxo de potência. ESTUDAREMOS NESSA SEÇÃO OS VÁRIOS TIPOS DE MÁQUINAS CC UTILIZADAS COMO GERADOR.

2 MÁQUINAS ELÉTRICAS Existem cinco tipos de geradores cc (corrente contínua) que são classificados de acordo com a maneira pela qual o fluxo de campo é produzido: 1.) Gerador de excitação separada : nesse tipo, o fluxo de campo é produzido por uma fonte de potência separada independente do próprio do gerador; 2.) Gerador shunt: o fluxo de campo é produzido através da conexão do circuito de campo diretamente aos terminais do gerador;

3 3.) Gerador série: O fluxo de campo é produzido pela conexão do circuito de campo em série com a armadura do gerador; 4.) Gerador composto cumulativo : ambos campos shunt e série estão presentes e seus efeitos são aditivos; 5.) Gerador composto diferencial: ambos campos série e shunt estão presentes e seus são subtrativos.

4 Circuito equivalente de um gerador cc O circuito de armadura por uma fonte ideal e por um resistor. Esta representação é o circuito equivalente do circuito do rotor. A queda de tensão nas escovas é representada por uma bateria em oposição ao fluxo de corrente na máquina.

5 O enrolamento de campo responsável pela produção do fluxo magnético no gerador é representado por um indutor L f e por um resistor R f. Existe poucas variações e simplificações do circuito equivalente básico. OBS: A queda de tensão nas escovas corresponde a uma pequena fração da tensão gerada na máquina. Em alguns casos, esse valor pode ser desprezado.

6 Em algumas situações, a resistência interna do enrolamento de campo é associada com a resistência externa (controle da corrente de campo) e a resistência total é chamada de R F. A curva de magnetização de um gerador cc A tensão interna gerada E A de um gerador cc é dada por: ω – velocidade de rotação Φ – fluxo produzido pelo enrolamento de campo K – constante que depende de aspectos construtivos

7 Um esboço da curva de magnetização de um gerador cc é mostrada abaixo:

8 Um esboço da curva de magnetização de um gerador cc é mostrada abaixo, porém trata-se de uma curva mostrando a tensão em função do fluxo magnético:

9 A corrente de campo no gerador produz uma força magnetomotriz dada por: A força magnetomotriz produz um fluxo na máquina de acordo com a sua curva de magnetização. Como a tensão interna gerada depende do fluxo magnético, é mais comum traçar um gráfico da tensão interna versus a corrente de campo. Observa-se que trata-se de uma relação não- linear.

10 Gerador com excitação independente Sabemos que uma forma de classificar os geradores cc está baseada no modo pelo qual o enrolamento de campo é excitado. O objetivo da excitação do enrolamento de campo é estabelecer um valor de fluxo magnético para produção da tensão conforme fórmula da tensão. Constata-se a partir da fórmula que para uma dada velocidade de rotação, a tensão interna gerada depende diretamente do fluxo.

11 Gerador com excitação independente Com base na figura pode-se verificar que neste gerador, a corrente de campo é fornecida por uma fonte de tensão cc externa.

12 Gerador com excitação independente ATENÇÃO A NOMENCLATURA A tensão (V T )é a tensão de saída medida nos terminais do gerador. A corrente I L representa a corrente fluindo na linha conectada aos terminais do gerador. A tensão E A é a tensão interna gerada no enrolamento de armadura localizado no rotor.

13 Gerador com excitação independente Características terminais do gerador A característica terminal é um gráfico das quantidades de saída entre si. Para o gerador cc, as quantidades de saída são: a tensão terminal e a corrente de linha. Trata-se de um gráfico da tensão terminal versus corrente de linha.

14 Gerador com excitação independente Características terminais do gerador Obs: É importante observar que a característica terminal não é sempre precisa.

15 Gerador com excitação independente Nos geradores sem enrolamento de compensação, um aumento da corrente de armadura causa um aumento na reação de armadura (fluxo produzido pela corrente no circuito do rotor). Esta reação de armadura é responsável pelo enfraquecimento do fluxo principal da máquina. Com o decréscimo do fluxo, ocorre a redução da tensão interna. Nesse caso, estamos considerando que a velocidade da máquina primária é constante (ω constante).

16 Gerador com excitação independente Controle da tensão terminal A tensão terminal de um gerador de excitação separada pode ser controlada pela mudança da tensão interna gerada E A. As possibilidades de controle da tensão do gerador são: 1.Mudança na velocidade de rotação: Se ω aumenta então E A : E A =KΦω

17 Gerador com excitação independente Controle da tensão terminal Como consequência, a tensão terminal também aumenta. V T = E A – R A I A 2. Variando a corrente de campo: Se a resistência que controla a corrente de campo (R F ) for reduzida, a corrente de campo aumenta, aumentando também o valor do fluxo Φ. Se o fluxo aumenta então: E A =KΦ ω

18 Gerador com excitação independente Controle da tensão terminal Em muitas aplicações a velocidade da máquina primária é mantida constante e o controle da tensão terminal é realizado através da variação da corrente de campo.

19 Gerador com excitação independente Exercício: Um gerador com excitação independente com enrolamentos de compensação possui as seguintes especificações: 172 kW, 430 V, 400 A e 1800 rpm. Esta máquina possui as seguintes características: R A = 0.05 Ω R F = 20 Ω V F =430 V N F = 1000 espiras/polo R adj = 0 a 300 Ω

20 Exercício: A curva de magnetização é:

21 Exercício: (a)Se o resistor variável R adj no circuito de campo do gerador é ajustado em 63 Ω e a máquina primária do gerador é acionada a 1600 rpm, qual é a tensão terminal do gerador sem carga ? (b)Qual deve ser sua tensão se uma carga de1Ω é conectada em seus teminais? (c) Qual ajuste deve ser feito no gerador para restaurar sua terminal ao valor encontrado em (a)

22 Exercício: (d) Qual deve ser a corrente de campo necessária para restaurar a terminal para o valor sem carga ? Qual é o valor necessário para o resistor R adj realizar isto ?

23 GERADOR SHUNT CC Trata-se de um gerador que supre sua própria corrente de campo por ter seu enrolamento de campo conectado diretamente através dos terminais da máquina.

24 GERADOR SHUNT CC A vantagem que ele apresenta em relação ao gerador cc de excitação separada é que ele não precisa de nenhuma fonte de potência externa para suprir o circuito de campo. Se o gerador supre seu próprio circuito de campo, como é possível obter o fluxo de campo inicial para a partida quando ele é ligado pela primeira vez?

25 GERADOR SHUNT CC Procedimento para a auto-excitação de um gerador shunt.

26 GERADOR SHUNT CC Alguns fatores podem ser impeditivos no aumento da tensão do gerador shunt: 1.) Pode não existir o fluxo residual no gerador para que o processo seja desencadeado. Para corrigir esse problema, desconecte o circuito de campo do circuito de armadura e o conecte diretamente em uma fonte de potência cc como uma bateria. 2.) A direção de rotação pode ter sido trocada, ou a conexão do enrolamento de campo. A tensão E A produz uma corrente de campo a qual produz um fluxo em oposição ao fluxo residual.

27 GERADOR SHUNT CC Alguns fatores podem ser impeditivos no aumento da tensão do gerador shunt: 3.) A resistência de campo ajustada a um valor maior que o valor da resistência crítica. Normalmente no processo de elevação de tensão, a tensão final corresponde a intersecção entre a curva de magnetização e a reta que representa a resistência de campo.

28 GERADOR SHUNT CC Características terminais A característica terminal de um gerador shunt cc difere daquela apresentada pelo gerador de excitação separada. Isto ocorre porque a quantidade de corrente de campo na máquina depende da sua tensão terminal. Para compreender a característica terminal de um gerador shunt, liga-se a máquina sem carga e coloca-se carga aos poucos para verificar o que acontece.

29 GERADOR SHUNT CC Características terminais À medida que a carga do gerador aumenta, a corrente de armadura também aumenta. Um aumento na corrente de armadura, causa um aumento da queda de tensão na resistência do circuito de armadura. Em função do decréscimo da tensão terminal, a corrente de campo também diminui.

30 GERADOR SHUNT CC Características terminais O fluxo na máquina também diminui, o que implica diminuição da tensão interna gerada. O decréscimo da tensão interna gerada favorece ainda mais a redução da tensão terminal.

31 GERADOR SÉRIE CC Um gerador série é aquele cujo enrolamento de campo está conectado em série com o enrolamento de armadura. Nesse gerador, o enrolamento série é constituído por pouca espiras. Isto é o contrário do campo shunt que possui muitas espiras. No campo série, a seção transversal dos condutores também é maior do que no campo shunt.

32 GERADOR SÉRIE CC O circuito equivalente do gerador série é mostrado abaixo:

33 GERADOR SÉRIE CC A característica terminal é mostrada na figura abaixo:

34 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO Um gerador cc composto cumulativo é um gerador cc com ambos campos shunt e série conectados de tal maneira que as forças magnetomotrizes dos dois campos se somam. Existem dois tipos de circuitos que representam o comportamento do gerador composto: Shunt longa Shunt curta

35 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO A força magnetomotriz total, desconsiderando o efeito da reação de armadura é: Em que o primeiro termo é a força magnetomotriz total, o segundo a força magnetomotriz produzida pelo enrolamento de campo shunt e o terceiro termo a força magnetomotriz produzida pelo enrolamento série.

36 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO O circuito equivalente que representa o comportamento desta máquina é mostrado abaixo: SHUNT LONGA SHUNT CURTA

37 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO Características terminais de um gerador composto cumulativo Suponha que a carga do gerador é elevada. Então quando a carga aumenta, a corrente de carga também aumenta. Desde que I A = I L + I F então a corrente de armadura também aumenta. Dois efeitos ocorrem no gerador:

38 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO Quando a corrente de armadura aumenta, a queda de tensão I A (R A +R S ),também aumenta. Isto tende causar a redução da tensão terminal V T = E A -I A (R A +R S ). Quando a corrente de armadura aumenta, a força magnetomotriz produzida pelo campo série F SE =N SE I A também aumenta. Isto aumenta a força magnetomotriz total F T =N SH I F +N SE I A, o que aumenta o fluxo no gerador. O fluxo elevado aumenta a tensão interna E A, o que tende a aumentar a tensão terminal V T =E A – I A (R A +R S ).

39 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO É importante observar que os dois efeitos se opõem entre si, um tende a aumentar a tensão terminal e o outro tende a reduzi-la. Qual efeito predomina na máquina ? Isto depende de quantas espiras são colocadas no enrolamento de campo série, que resultam em três tipos de comportamento. Hiper-composto Composto normal Hipo-composto

40 GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO A primeira curva se refere ao gerador hiper- composto, a segunda curva se refere ao composto normal e a terceira ao hipo-composto. Obs: O gráfico também compara o gerador composto cumulativo com o gerador shunt.

41 GERADOR COMPOSTO Gerador Composto Diferencial Trata-se de um gerador com ambos campos shunt e série. Entretanto a força magnetomotriz resultante é a diferença entre as forças magnetomotrizes do campo shunt e do campo série, nesta ordem. F T =F SH – F SE Onde o primeiro termo é a força magnetomotriz total, o segundo a força magnetomotriz do campo shunt e a terceira a do campo série.

42 GERADOR COMPOSTO Característica terminal de um gerador composto diferencial Quando a corrente de armadura aumenta, I A (R A +R S )a queda aumenta também. Este aumente tende causar a redução da tensão terminal V T =E A – I A (R A +R S ). Quando a corrente de armadura aumenta a força magnetomoriz do campo série aumenta F SE =N SE I A. Este aumento da força magnetomotriz do campo série reduz a força magnetomotriz total do gerador.

43 GERADOR COMPOSTO Característica terminal de um gerador composto diferencial F T = F SH – F SE Ocorre também a redução do fluxo líquido no gerador, o que causa a redução da tensão interna e também da tensão terminal. E A = KΦω Ambos efeitos tendem a reduzir a tensão terminal V T

44 GERADOR COMPOSTO DIFERENCIAL Gráfico do comportamento da tensão terminal

45 FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE OPERAÇÃO FLUXO DE POTÊNCIA PARA GERADOR Perdas no núcleo: são as perdas por histerese e correntes parasitas no metal do motor. Essas perdas variam com o quadrado da densidade de fluxo. Perdas mecânicas: são as perdas associadas aos efeitos mecânicos. Perdas por atrito e ventilação.

46 FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE OPERAÇÃO Stray losses: São perdas que não são colocadas nas categorias anteriores. Por convenção, equivalem a 1% da potência de plena carga (CHAPMAN). Perdas elétricas ou no cobre: São perdas que ocorrem nos enrolamentos de campo e de armadura da máquina.

47 FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE OPERAÇÃO FLUXO DE POTÊNCIA PARA MOTOR


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