Gerador De Cc e3b1h
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MARINHA DO BRASIL CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO
ESCOLA DE ELETRICIDADE E ELETRÔNICA
Gerador Corrente Contínua
CURSO: APERFEIÇOAMENTO EM ELETRICIDADE MÓDULO: MÁQUINAS ELÉTRICAS CC E CA INSTRUTOR: SO-EL-Refº JORGE SOARES GRUPO: O5 ALUNOS: AEL-2-105 ROSENILDO FLORIANO PAULINO AEL-2-201 EVERALDO JOSE DA COSTA AEL-2-207 ELVES ANTÔNIO LEITE AEL-2-305 MOISÉS GOMES DOS SANTOS
Rio de Janeiro, RJ em 25 de Setembro de 2008
Gerador de corrente contínua
Trabalho do Grupo 05 da turma AP-EL-2/2008 sobre às características dos Geradores CC, quanto à excitação, formação dos campos indutores série e paralelo, polarização dos campos, tipos de excitação, conversão de potência elétrica em mecânica, tensão gerada e cálculos de tensão, potência e eficiência. Solicitado pelo Instrutor SO-EL-Refº Soares com o objetivo de avaliação parcial do módulo Manutenção de Máquinas CC e CA.
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus, Princípio e Criador de todas as coisas, pelo dom da inteligência, por termos alcançado êxito no concurso Cesp-Hab-Sg em 2004, o que nos permitiu que estivéssemos presentes para realizar este trabalho. Agradecemos ainda de maneira especial à nossa família, que souberem entender a nossa ausência, cansaço e estresse gerado durante o percurso da carreira. Emfim, agradecemos a todos aqueles que contribuíam de maneira direta ou indiretamente para estarmos próximo da realização de mais um desafio.
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SUMÁRIO
Justificativa
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Agradecimentos
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Sumário
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Gerador de corrente contínua
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Partes componentes de uma máquina CC
5
Tensão gerada
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Retificação por meio de um comutador
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Características dos geradores cc quanto à excitação e tipos de campos indutores
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Excitação separada
12
Gerador auto-excitado
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Gerador Paralelo
13
Gerador série
14
Gerador composto
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Auto-excitação de um gerador shunt
18
Circuito equivalente do gerador
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Cálculo de tensão no gerador
21
Equação da tensão no gerador
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Regulação de tensão no gerador
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Polarização dos enrolamentos de campo, tipos e nomenclatura de campos e
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armadura. Perdas e eficiência de uma máquina CC
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Referências bibliográficas
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GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA O gerador é uma máquina rotativa que converte energia mecânica em energia elétrica. A energia mecânica pode ser fornecida por uma queda-d’água, vapor, vento, gasolina, óleo diesel ou por um motor elétrico. PARTES COMPONENTES DE UMA MÁQUINA CC A Fig. 1, mostra um corte de uma máquina CC comercial típica, simplificada para dar ênfase às partes principais. As partes principais dos motores e geradores de corrente contínua são basicamente as mesmas.
Fig. 1 - As partes principais de uma máquina CC Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Armadura Em um motor, a armadura recebe a corrente proveniente de uma fonte elétrica externa. Isto faz a armadura girar. Em um gerador, a armadura gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então ligada a um circuito externo. Em resumo, a armadura do motor recebe a corrente de um circuito externo (a 5 de 26
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fonte de alimentação), e a armadura do gerador libera corrente para um circuito externo (a carga). Como a armadura gira, ela é também chamada de rotor. O núcleo da armadura é construído de camadas laminadas de aço, provendo uma faixa de baixa relutância magnética entre os pólos. As lâminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o aço usado é de qualidade destinada a produzir baixas perdas. O núcleo contém ranhuras axiais na sua periferia para colocação do enrolamento da armadura, constituído de bobinas isoladas entre si e do núcleo da armadura, colocadas nas ranhuras e eletricamente ligadas ao comutador.
Comutador Uma máquina CC tem um comutador para converter a corrente alternada (induzida) que a pela sua armadura em corrente contínua liberada através de seus terminais (no caso do gerador). O comutador é constituído por segmentos de cobre, com um par de segmentos para cada enrolamento da armadura. Cada segmento do comutador é isolado dos demais por meio de lâminas de mica. Os segmentos são montados em torno do eixo da armadura e são isolados do eixo e do ferro da armadura. No estator da máquina são montadas duas escovas fixas, que permitem contatos com os segmentos opostos do comutador. Escovas São conectores fixos de grafita, montados sobre molas que permitem que eles deslizem(ou “escovem”) sobre o comutador no eixo da armadura. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa (no caso do gerador). As escovas estão sempre instantaneamente conectadas a um segmento do comutador e em contato com uma bobina localizada na zona interpolar. Enrolamento de Campo Este eletroímã produz o fluxo interceptado pela armadura. Em um motor, a corrente para o campo é fornecida pela mesma fonte que alimenta a armadura. No gerador, a fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente da própria armadura. Constituído de umas poucas espiras de fio grosso para o campo-série ou muitas espiras de fio fino para o campo-shunt (em derivação). 6 de 26
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Tipos de enrolamentos de campo das máquinas CC Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
TENSÃO GERADA Se uma bobina com uma única espira é posta a girar num campo magnético uniforme a uma velocidade constante, a fem induzida num determinado lado da bobina variará com o seu movimento através das várias posições de 0 a 7, conforme mostra a Fig. 2
(a) Posições instantâneas de rotação
(b) Fem nas posições respectivas
à velocidade constante Fig. 2 - Fem gerada por uma bobina móvel em um campo uniforme Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
Usando o lado ab da bobina como referência, note-se que, quando ele estiver na posição 0 da Fig. 2.(a), a fem induzida na bobina será zero, uma vez que o condutor ab (bem como o condutor cd) está se movimentando paralelamente ao campo magnético, sem cortar as linhas de força. Quando o condutor ab se movimenta para a posição 1, girando no sentido horário, ele corta o campo magnético uniforme num ângulo oblíquo de 7 de 26
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45º. A fem induzida neste condutor em movimento ascendente, com respeito a uma carga externa, será positiva (na fonte a corrente sai do terminal positivo) e seu valor será de aproximadamente 70,7 por cento da máxima tensão induzida (v = v máx . sen ө ; onde ө = 45º). A variação na tensão é mostrada graficamente na Fig. 2.(b), onde a fem é positiva na posição 1 e tem o valor aproximado indicado. Quando a bobina alcança 90º, posição 2, o condutor ab se move perpendicularmente ao campo magnético, e tem o máximo valor positivo mostrado na Fig. 2.(b). A posição 3, que corresponde a um ângulo de 135º, leva a uma fem no lado ab da bobina idêntica à produzida na posição 1, pois (sen 135º = sen 45º), com polaridade positiva uma vez que o condutor ainda se movimenta ascendentemente, mas a variação do fluxo ocorre numa razão menor que a da posição 2. Quando o condutor ab alcança 180º, posição 4, a fem induzida é novamente zero, uma vez que não há variação de fluxo quando o condutor se movimenta paralelamente ao campo magnético. Na posição 5, correspondendo a 225º, a fem induzida no condutor ab tem a polaridade invertida, uma vez que ab agora se move descendentemente no mesmo campo magnético uniforme. A fem induzida aumenta até um máximo negativo a 270º, na posição 6, e finalmente decresce, ando pela posição 7 e voltando a zero na posição 0. Deve-se notar que a natureza da fem induzida em um condutor que gira num campo magnético é, ao mesmo tempo, senoidal e alternativa. A fem alternada é produzida nos condutores de todas as máquinas girantes, seja CC ou CA. Observe-se que durante este processo não há fem induzida nos condutores bc ou ad, uma vez que eles se movimentam na mesma direção no mesmo campo e produziriam, portanto, fem iguais em oposição. Os lados da bobina ab e cd, entretanto, auxiliam-se mutuamente e a fem total produzida pela bobina é o dobro do valor representado na Fig. 2.(b). Deve-se notar que não se produz fem nas posições 0 e 4, conhecidas como zonas neutras ou interpolares da máquina. RETIFICAÇÃO POR MEIO DE UM COMUTADOR A fim de se converter a tensão alternada (CA) em unidirecional (CC), é necessário empregar-se um dispositivo de chaveamento mecânico, que é acionado pela rotação 8 de 26
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mecânica do eixo da máquina. Esse tal dispositivo é o comutador elementar mostrado na Fig. 3 (a).
(a) Posições instantâneas da bobina para
(b) Fem nas escovas e corrente de
carga produzida pela comutação. velocidade de rotação constante. Fig. 3 - Gerador bipolar com comutador de dois segmentos Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
O comutador, também chamado de coletor, consiste de dois segmentos, apoiados no eixo da armadura mas dela isolados, bem como isolados um do outro. Cada segmento do comutador do condutor é ligado, respectivamente, a um lado da bobina. Desde que os lados da bobina e os segmentos do comutador estão mecanicamente ligados ao mesmo eixo, a ação mecânica da rotação é a de reverter as ligações e a bobina da armadura a um circuito externo estacionário, no mesmo instante em que se inverte a fem induzida no respectivo condutor (isto é, quando o lado da bobina se desloca para um pólo de nome oposto). Como mostram as Fig. 2 e 3, a fem induzida em um condutor ab é de polaridade positiva para os primeiros 180º de rotação (posições de 0 a 4), e de polaridade negativa para os outros 180º (posições de 4 a 0), usando-se o método da Regra de Fleming da Mão Direita (gerador) para a determinação da polaridade. Mas, na Fig. 3 o condutor ab está ligado ao segmento 1 do comutador e o condutor cd ao segmento 2. Para os primeiros 180º de rotação, portanto, a fem positiva produzida pelo condutor ab é ligada à escova estacionária positiva. Para os seguintes 180º de movimento, a fem negativa produzida pelo condutor ab está ligada à escova estacionária negativa. O mesmo efeito ocorre na ordem inversa para o condutor cd. Assim, a ação do comutador é de inverter
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simultaneamente as ligações ao circuito externo no mesmo instante em que se inverte o sentido da fem em cada um dos lados da bobina. Cada escova, positiva ou negativa, respectivamente, é mantida, pois, sempre na mesma polaridade. A Fig. 3(b) mostra a forma de onda da fem (e da corrente) produzida como resultado do processo acima para um ciclo completo (ou 360º) de rotação. A corrente unidirecional pulsante, que tem um valor zero duas vezes por ciclo, como mostra a Fig 3(b), é dificilmente utilizável como alimentação CC comercial. A fem de saída pode ser tornada menos pulsativa pelo uso de um grande número de bobinas ou segmentos do comutador. O efeito de aumentar-se o número de bobinas e segmentos é mostrado na Fig. 4(a) e a forma de onda resultante é mostrada na Fig. 4(b). Com apenas duas escovas e quatro segmentos, há agora quatro comutações mostradas como a, b, c e d na Fig. 4(b), num ciclo de rotação completo (tempo de t a t’). Logo, a fem resultante é menos pulsante.
(a) Vista da seção transversal.
(b) Forma de onda resultante nas escovas.
Fig. 4 - Efeito de quatro condutores e segmentos sobre a forma de onda na saída Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
Em um gerador, a área onde nenhuma tensão pode ser induzida numa espira da armadura é chamada de plano de comutação ou plano neutro. Este plano está a meia distância entre pólos norte e sul adjacentes. As escovas são sempre colocadas de modo a produzir um curto-circuito entre as bobinas da armadura que estão atravessando o plano neutro, e simultaneamente a saída é retirada das outras bobinas. Nesse instante não há corrente e, portanto, não há centelhamento nas escovas.
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Fig. 5 - Ação comutadora correta da escova numa armadura Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Se deslocarmos as escovas alguns graus, elas porão a bobina em curto quando ainda estiver cortando o campo magnético. Como conseqüência, uma tensão será induzida na bobina em curto e a corrente de curto-circuito causará centelhamento nas escovas. Esta corrente de curto-circuito pode danificar seriamente as bobinas e queimar o comutador.
Fig. 6 - Centelhamento nas escovas do comutador Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Quando a armadura gira no sentido do movimento dos ponteiros do relógio, a corrente no lado esquerdo da bobina sai da página, e no lado direito entra na página. Também está representado o campo magnético produzido em torno de cada lado da bobina. Agora existem dois campos: o campo principal e o campo em redor da cada lado da bobina. A figura 7 mostra como o campo da armadura distorce o campo principal e como o plano neutro é deslocado no sentido da rotação. Se as escovas forem mantidas no plano neutro original, elas colocarão em curto bobinas com tensão induzida. Conseqüentemente, haverá centelhamento entre as escovas e o comutador. Para evitar isto, as escovas devem ser deslocadas para o novo plano neutro. O efeito da armadura ao deslocar o plano neutro é chamado de reação da armadura. 11 de 26
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Fig. 7 - Reação da armadura Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
CARACTERÍSTICAS DOS GERADORES CC QUANTO À EXCITAÇÃO E TIPOS DE CAMPOS INDUTORES Os geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de campo utilizado. Quando o campo do gerador é fornecido ou “excitado” por uma fonte CC independente (separada), como por exemplo, uma bateria, ele é chamado de gerador de excitação separada ou independente, e quando ele fornece a sua própria excitação, é chamado de auto-excitado.
EXCITAÇÃO SEPARADA Excitação separada – Possui dois circuitos independentes; um circuito de campo e o outro circuito da armadura. A sua corrente de excitação é fornecida por uma fonte externa de CC (excitatriz), podendo ser um grupo de baterias ou um gerador CC autoexcitado, etc.
Diagrama do circuito de um gerador CC com excitação separada Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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Gerador auto excitado A corrente de excitação é fornecida pelo próprio gerador, sendo isto possível através do magnetismo residual retido pelas peças polares, que produz uma pequena FEM quando o gerador é acionado. A pequena corrente inicial vai de maneira progressiva fortalecendo o campo indutor até a sua máxima densidade. O campo dos geradores desse tipo de excitação pode ser ligado de três maneiras em relação à armadura: paralelo, série e composto. GERADOR PARALELO Paralelo (Shunt ou derivação) - Características físicas: O campo indutor é ligado em paralelo com a armadura e com a carga. Essas bobinas do campo são feitas com muitas espiras de fio fino (tensão). O reostato de campo é ligado em série com o campo indutor
e
com a armadura.
Características
elétricas:
A tensão
é constante
(VT=VL=VC=VA) para as diferentes condições de carga e a carga é variável (IA=IL+IC). Pelo fato do campo indutor e a armadura formarem um circuito fechado, a excitação é independente da carga, permitindo assim uma máxima tensão de saída mesmo com o circuito de carga aberto. Neste tipo de gerador funcionando sem carga, a corrente de campo é igual à corrente da armadura (circuito série); sendo máxima com aumento de carga, e com esse aumento a tensão de saída sofrerá uma leve redução (efeito da reação motriz, queda de velocidade) podendo ser corrigida com o aumento da corrente de excitação, fazendo-a estabilizar. São muitos usados na alimentação de sistemas que necessitam de tensão constante, como por exemplo, sistema de iluminação e de força.
Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado em derivação Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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GERADOR SÉRIE Características físicas: O campo indutor é ligado em série com a armadura e com a carga. Essas bobinas do campo são feitas com poucas espiras de fio grosso (baixa resistência para a agem de corrente), para poder ar as altas correntes de carga. O reostato do campo (RC) é ligado em paralelo com o campo indutor. Características elétricas: corrente constante (IT=IC=IA=IL) com uma tensão variável (VT=VL+VA). Neste gerador sem carga a tensão de saída é mínima, pois é só aquela produzida pelo magnetismo residual, com o aumento da carga a tensão sobe de forma gradativa até chegar no ponto de colapso aonde ele sofrerá uma queda brusca, pois isto é possível devido as características do condutor do campo indutor.
Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado em série Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
GERADOR COMPOSTO No gerador composto, o campo-shunt predomina e é o mais forte dos dois. Quando a fmm do campo-série auxilia a fmm do campo-shunt, o gerador é denominado de composto cumulativo (ou aditivo). Quando a fmm do campo-série se opõe à fmm do campo-shunt, o gerador é denominado de composto diferencial (ou subtrativo). É igual ao circuito paralelo, porém este compensa a pequena queda de tensão com a utilização de um campo indutor em série. Possuem dois campos indutores, sendo um ligado em série com a armadura e o outro ligado em paralelo com a mesma. Os reostatos de campo são resistências ajustáveis colocadas nos circuitos de campo para variar o fluxo do campo e, portanto, a f.e.m. gerada pelo gerador. No campo-
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shunt o controle do fluxo magnético (através do controle da corrente) é realizado com um reostato colocado em série com o enrolamento de campo-shunt, já no campo-série o reostato deve ser colocado no circuito em paralelo com o enrolamento de campo-série. De acordo com o sentido desses fluxos magnéticos nos campos do indutor os geradores compostos são classificados em aditivos e diferenciais. 1) Diferenciais – Os fluxos dos campos série e paralelo têm o sentidos opostos e, portanto se subtraem. 2) Aditivos- Os fluxos dos campos série e paralelo possuem o mesmo sentido e portanto se somam, ou seja, esse indutor que foi acrescido em série reforça o campo produzido pelo enrolamento paralelo, aumentando a Força Magnetomotriz (FMM). Quando aumenta a carga, o fluxo do campo também aumenta, podendo então aumentar ou diminuir a tensão terminal do gerador, sendo esta determinada pela influência das bobinas desse campo série sobre o fluxo produzido pelo campo paralelo, que é chamado de “grau de composição”. E esse grau de composição determina a variação da tensão de saída do gerador quando houver um aumento de carga, e pode ser de três tipos: a) Hipercompostos – A tensão de saída com plena carga é maior que sem carga. As cargas estão distantes do gerador. São os mais usados. b) Média composição – A tensão de saída com plena carga é igual à de com sem carga. Usados quando as cargas estão próximas do gerador. c) Sub compostos (Hipocomposto) – A tensão de saída a plena carga é ligeiramente superior do que o sem carga, sendo parecido com o gerador paralelo. São pouco usados. OBSERVAÇÃO Ainda existe a “resistência difusora” que regula o grau de composição dos geradores aditivos, sua resistência é baixa e é ligada em paralelo com o campo série, permitindo a ajustagem da tensão na condição de plena carga. Quanto maior for à corrente através da resistência, menor será a influência do campo série sobre o campo paralelo. Já o reostato de campo no circuito da bobina de campo em paralelo permite o ajuste da tensão na de sem carga do gerador composto.
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Reostatos de campo e curvas características de um gerador CC auto-excitado composto Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Os geradores compostos são ainda classificados quanto à ligação do campo indutor paralelo em relação ao campo indutor série e a armadura em longa derivação e curta derivação. a) Longa derivação – O campo indutor paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série). b) Curta derivação – O campo indutor paralelo é ligado em paralelo só com a armadura.
(a) Excitação composta com derivação (b) Excitação composta com derivação Curta Longa Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado composto Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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Gerador composto aditivo de longa derivação As bobinas dos campos indutores série e paralelo produzem fluxos que se somam. O reostato de campo indutor é ligado em série com o campo paralelo. O campo paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série). Um aumento de carga faz aumentar a corrente que circula pelo campo indutor série, aumentando sua excitação, com isso o fluxo total e a tensão de saída também aumentará. A corrente de excitação a pelo campo série e pela armadura. Gerador composto aditivo de curta derivação Possui as mesmas características do gerador anterior, diferindo só em relação ao campo paralelo, pois ele é ligado em paralelo só com a armadura. A corrente de excitação não a pelo campo série e sim só pela armadura. Gerador composto diferencial de longa derivação Como dito anteriormente as bobinas dos campos série e paralelo produzem fluxos em sentidos opostos e, portanto se subtraem (por ser diferencial). O campo paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série), pois é de longa derivação. Com o aumento de carga aumenta a excitação do campo série, cujo fluxo por estar em oposição ao fluxo do campo paralelo reduz o fluxo total, reduzindo assim a tensão de saída. A corrente de excitação a pelo campo série e pela armadura. Gerador composto diferencial de curta derivação Possui as mesmas características do anterior, diferindo só em relação ao campo paralelo que é ligado em paralelo só com a armadura. A corrente de excitação não a pelo campo série e sim só pela armadura. OBS.: 1 - Os geradores compostos diferencias têm pouca utilidade prática devido as suas características, tendo aplicação em gerador de solda elétrica. 2 -Para transformar um gerador aditivo em diferencial ou vice-versa, devem-se inverter os terminais do campo série ou da armadura. Não devendo inverter os terminais do campo paralelo, pois isso causaria na eliminação do magnetismo residual.
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A regulação de tensão de um gerador série é muito pobre. Mas não pode ser negada a capacidade do campo-série de produzir magnetização adicional útil em resposta ao incremento de carga. Esta característica útil do campo-série, combinada com a característica de tensão relativamente constante do gerador shunt, conduziu ao gerador composto que é muito mais usado do que os outros tipos de geradores CC, porque pode ser projetado de modo a oferecer uma ampla variedade de características.
AUTO-EXCITAÇÃO DE UM GERADOR SHUNT Como o gerador shunt auto-excitado está suprindo uma corrente relativamente pequena (em proporção à sua corrente nominal) para excitar seu próprio circuito de campo, pode-se supor que a queda de tensão interna r aIa é desprezível, e que o valor de Vta (tensão nos terminais da armadura) é igual ao valor de Vg (tensão gerada na armadura). Logo, é possível representar a reta associada à resistência de campo (Vf If) e a curva de magnetização da máquina (Vg If) em um eixo comum. Esta representação é vista na Figura abaixo.
Escorvamento de um gerador shunt auto-excitado. Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
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Como o circuito de campo é ligado diretamente aos terminais da armadura, a ordenada (valores do eixo y) da reta da resistência de campo, Rf, é a tensão nos terminais da armadura, Vta. A maneira pela qual o gerador shunt auto-excitado excita seu próprio campo e adquire uma tensão CC nos terminais da sua armadura é descrita com os seguintes os:
1.
Suponha que o gerador parte do repouso, ou seja, a máquina primária tem velocidade nula. Apesar do magnetismo residual, a fem gerada, Vg, é zero.
2.
À medida que a máquina primária faz girar a armadura, e a velocidade se aproxima do valor nominal, a tensão induzida devido ao magnetismo residual (Vg=k⋅φ⋅n ) e a velocidade (n) aumentam.
3.
Na velocidade nominal, a tensão na armadura devido ao magnetismo residual é pequena, E1, como se vê na Figura. Mas esta tensão também está aplicada no circuito de campo, cuja resistência é Rf. Assim, a corrente que flui no circuito de campo, I1, é também pequena.
4.
Quando I1 flui no circuito de campo do gerador, resulta um aumento na fmm (devido a Nf I1), que auxilia o magnetismo residual, aumentando a fem induzida para E2.
5.
A tensão E2 é agora aplicada na resistência de campo, provocando a circulação de uma corrente I2 maior no circuito de campo. Nf I2 é uma fmm incrementada que produz uma tensão gerada E3.
6.
E3 produz I3 no circuito de campo, que gera E4. Mas E4 provoca a circulação de I4 no campo, que produz E5; e assim por diante, até alcançarmos E8 que é o máximo valor.
7.
O processo continua até o ponto em que a reta da resistência de campo corta a curva de magnetização. Aqui o processo pára. a tensão induzida produzida,
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quando aplicada no circuito de campo, produz um fluxo de corrente que, por sua vez, produz uma fem induzida de mesma magnitude, E8, como se mostra na figura. CIRCUITO EQUIVALENTE DO GERADOR As relações entre tensão e corrente em um circuito equivalente de um gerador CC de acordo com a Lei de Ohm, são.
Vta = Vg − ra ⋅ I a Vt = Vg − ( ra + rs ) ⋅ I a I L = Ia − I f onde: Vta
tensão nos terminais da armadura, V
Vg
tensão gerada na armadura ou força eletromotriz fem, V
Vt
tensão nos terminais do gerador, V
ra
resistência do circuito da armadura (incluindo a resistência de
contato nas escovas), rs
resistência do campo em série,
rd
resistência do campo em derivação,
Ia
corrente da armadura, A
Is
corrente do campo em série (Is=Ia ou Is=IL), A
Id
corrente do campo em derivação, A
IL
corrente da carga (ou corrente na linha), A
Circuito equivalente de um gerador CC (derivação longa) Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum
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CÁLCULO DE TENSÃO NO GERADOR Um gerador que possui uma resistência de armadura (incluindo as escovas) de 0,025 Ω , e uma resistência de campo em série de 0,005 Ω . Ele é mantido em 1.200 rotações por minuto (rpm) através de um motor de velocidade constante. Calcule a tensão gerada na armadura.
Vg = Vt + ( ra + rs ) ⋅ I a
RESPOSTA: :
Vg = 250 + 400 ⋅ ( 0 ,025 + 0 ,005) = 250 + 12 = 262 V
EQUAÇÃO DA TENSÃO NO GERADOR A tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada através da fórmula: VS = onde: Vg
P.Z .φ .n 60.a
tensão média gerada por um gerador CC, V
p
número de pólos
Z
número total de condutores da armadura
φ
fluxo por pólo, Wb
n
velocidade da armadura (ou rotor), rpm
a
número de caminhos paralelos através da armadura, dependendo do
tipo de enrolamento da armadura(imbricado ou ondulado). Para qualquer gerador, todos os fatores, são fixos, exceto φ e n. Portanto, fórmula pode ser simplificada assumindo a forma:
Vg = k ⋅ φ ⋅ n onde:
k=
p⋅ Z 60 ⋅ a
A Equação revela que o valor de uma fem induzida em qualquer circuito é proporcional à razão com que o fluxo está sendo interceptado. Assim, se φ duplicar e n permanecer o mesmo, o valor de Vg também é duplicado. Analogamente, se n dobrar de valor, permanecendo φ constante, Vg também dobra.
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REGULAÇÃO DE TENSÃO NO GERADOR A regulação de tensão de um gerador é a diferença entre a tensão nos terminais sem carga (SC) e com carga máxima (CM), e é expressa como uma porcentagem do valor da tensão nos terminais com carga máxima (ou carga nominal). R( % ) =
VSC − VCM × 100% VCM
Uma regulação com baixa porcentagem, característica de circuitos de iluminação, significa que a tensão nos terminais do gerador é praticamente a mesma com carga máxima ou quando está sem carga (em vazio).
POLARIZAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE CAMPO, TIPOS E NOMENCLATURA DE CAMPOS E ARMADURA. Os enrolamentos de campo são ligados de maneira a produzir pólo norte e pólo sul em funções opostas que determinaram o sentido da f.e.m nos condutores da armadura. Os enrolamentos do campo formam o eletroímã que estabelece o fluxo de campo gerador. Esses enrolamentos recebem corrente de uma fonte CC externa ou podem ser ligados diretamente na armadura. Quando ligados estabelecem o fluxo magnético no campo, peças polares, entreferro e núcleo da armadura.
Enrolamentos da Armadura Tipos de enrolamentos da armadura 1.
Armadura com bobina simples.
2.
Enrolamento com anel de Gramme.
3.
Armadura com tambor.
4.
o simples.
5.
o simples em ondas.
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Armadura com bobina simples O enrolamento de armadura consiste de uma única espira. A rotação dela dentro do campo magnético faz com que nela se induza uma f.e.m cuja grandeza depende da intensidade do campo magnético e da velocidade de rotação do condutor. Obs. com a adição de mais espiras, a tensão de flutuação (ripple) pode ser reduzida a um valor mínimo. Enrolamento com anel de Gramme. O enrolamento com anel de Gramme consiste de um fio isolado enrolado em uma forma metálica na forma de anel com derivações a intervalos regulares que são ligados aos segmentos. As partes do enrolamento localizadas no interior do anel praticamente não cortam linhas do fluxo e atuam apenas como ligação para as partes ativas localizadas na face externa do anel. Porque apenas uma pequena fração do condutor é usada para gerar tensão. Esse tipo de enrolamento requer uma grande quantidade de espiras para produzir uma determinada tensão. Enrolamento tipo tambor No enrolamento básico tipo tambor, todos os condutores ficam alojados nas ranhuras e próximos
da superfície da armadura. Nas armaduras tipo tambor,com
exceção das ligações terminais da bobina, todo fio de cobre é usado para gerar a f.e.m. A distância entre os dois lados da bobina é conhecido como o da bobina. Há certas semelhanças entre os enrolamentos tipo anel de Gramme e o tipo tambor. A distribuição de tensão é a mesma, assim como o número de percursos. Em ambos os tipos, quando uma escova faz contato com dois segmentos,é feito o curto circuito em uma bobina. Enrolamento de o simples imbricado As armaduras de CC são geralmente pré-moldadas. O termo salto se refere a distância guardada entre um elemento ativo do enrolamento e outro da mesma bobina. O salto deve ser igual à distância periférica entre os centros do campo polares adjacentes de maneira que a tensão gerada nos dois pólos da bobina ficam em série aditiva. Esta distância é denominada largura de pólo. Quando o salto de uma bobina é menor que a 23 de 26
Gerador de corrente contínua
largura do pólo, o enrolamento toma o nome de enrolamento com largura de pólo fracionária. As bobinas com largura fracionária apresentam reduzida f.e.m porque as tensões nas bobinas não atingem o valor máximo no mesmo instante. Características: -Há tantos percursos e posições de escova quanto forem os campos polares. -O enrolamento da armadura forma um circuito fechado contínuo. -É usado para alimentar cargas que demandem corrente relativamente alta com tensão baixa. Enrolamento de onda simples No enrolamento de onda simples, os grupos de bobinas sob a ação de pares de pólos similares, geram em qualquer instante, tensões iguais e estão ligadas em série. Por isso também é denominado enrolamento série. Características: -Há dois percursos paralelos e duas posições de escova independente dos campos polares. -O enrolamento é de alta tensão e baixa corrente. -O enrolamento forma um circuito fechado contínuo. PERDAS E EFICIÊNCIA DE UMA MÁQUINA CC As perdas nos geradores e motores consistem nas perdas no cobre dos circuitos elétricos (enrolamento da armadura e enrolamento de campo), nas perdas no ferro dos circuitos magnéticos (núcleo do rotor e estator) e nas perdas mecânicas produzidas pela rotação da máquina. As perdas incluem: 1. Perdas no cobre. 2.
Perdas no enrolamento da armadura Ra.Ia2.
3. Perdas nos enrolamentos de campo. 4.
Rd.Id2 no campo em derivação.
5.
Rs.Is2 no campo em série.
6. Perdas no ferro. 7. Perdas por correntes parasitas. 24 de 26
Gerador de corrente contínua
8. Perdas por histerese. 9. Perdas mecânicas ou rotacionais. 10.Perdas por atrito. (a) Atrito nos mancais (rolamentos). (b) Atrito nas escovas. (c) Atrito com o ar (ventilação). As perdas elétricas no cobre estão presentes, porque é consumida uma certa potência quando se faz ar uma corrente através de uma resistência. À medida que a armadura gira no campo magnético, a fem induzida nas partes de ferro permite a agem de correntes parasitas ou de Foucault, que aquecem o ferro representando assim um desperdício de energia (perdas magnéticas). As perdas por histerese ocorrem quando um material magnético é magnetizado inicialmente num sentido e em seguida no sentido oposto. Outras perdas rotacionais são produzidas pelo atrito dos rolamentos nos mancais, pelo atrito das escovas apoiadas sobre o comutador e pelo atrito com o ar (perdas mecânicas). A eficiência (ou rendimento) é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada. Eficieˆncia =
Saida Entrada
Eficieˆncia =
Entrada − Perdas Saida = Entrada Saida + Perdas
A eficiência é geralmente expressa na forma de porcentagem. Eficieˆncia ( % ) =
Saida × 100% Entrada
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[ 1 ] GUSSOW, Milton. Eletricidade Básica. 2. ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. 639 p. [
2
]
VAN VALKENBURGH, Nooger & Neville, Inc. Eletricidade Básica: Revista
Básica. Rio de janeiro: Ao Livro Técnico, 1982. v. 5, 165 p. [ 3 ] KOSOW, Irving L., Máquinas Elétricas e Transformadores. 8. ed. São Paulo: Globo, 1989. 667 p. [ 4 ] FITZGERALD, A. E., KINGSLEY JR, Charles, KUSKO, Alexander. Máquinas Elétricas: Conversão Eletromecânica da Energia, Processos, Dispositivos e Sistemas. São Paulo: McGraw – Hill do Brasil, 1975. 623 p. [ 5 ] WALTKINS, Albert James, Cálculos de Instalações Elétricas, São Paulo: Edgard Blücher, 1975, 2v. v. 2, p. 71-84. [ 6 ] http://meusite.mackenzie.com.br/dilburt/anotacoesdeconversaoum072sem2005.pdf, ado em 10/09/2008.
[
7 ] http://paginas.fe.up.pt/maquel/AD/SGEE_2.pdf, ado em 09/09/2008.
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ESCOLA DE ELETRICIDADE E ELETRÔNICA
Gerador Corrente Contínua
CURSO: APERFEIÇOAMENTO EM ELETRICIDADE MÓDULO: MÁQUINAS ELÉTRICAS CC E CA INSTRUTOR: SO-EL-Refº JORGE SOARES GRUPO: O5 ALUNOS: AEL-2-105 ROSENILDO FLORIANO PAULINO AEL-2-201 EVERALDO JOSE DA COSTA AEL-2-207 ELVES ANTÔNIO LEITE AEL-2-305 MOISÉS GOMES DOS SANTOS
Rio de Janeiro, RJ em 25 de Setembro de 2008
Gerador de corrente contínua
Trabalho do Grupo 05 da turma AP-EL-2/2008 sobre às características dos Geradores CC, quanto à excitação, formação dos campos indutores série e paralelo, polarização dos campos, tipos de excitação, conversão de potência elétrica em mecânica, tensão gerada e cálculos de tensão, potência e eficiência. Solicitado pelo Instrutor SO-EL-Refº Soares com o objetivo de avaliação parcial do módulo Manutenção de Máquinas CC e CA.
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus, Princípio e Criador de todas as coisas, pelo dom da inteligência, por termos alcançado êxito no concurso Cesp-Hab-Sg em 2004, o que nos permitiu que estivéssemos presentes para realizar este trabalho. Agradecemos ainda de maneira especial à nossa família, que souberem entender a nossa ausência, cansaço e estresse gerado durante o percurso da carreira. Emfim, agradecemos a todos aqueles que contribuíam de maneira direta ou indiretamente para estarmos próximo da realização de mais um desafio.
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Gerador de corrente contínua
SUMÁRIO
Justificativa
2
Agradecimentos
3
Sumário
4
Gerador de corrente contínua
5
Partes componentes de uma máquina CC
5
Tensão gerada
7
Retificação por meio de um comutador
8
Características dos geradores cc quanto à excitação e tipos de campos indutores
12
Excitação separada
12
Gerador auto-excitado
13
Gerador Paralelo
13
Gerador série
14
Gerador composto
14
Auto-excitação de um gerador shunt
18
Circuito equivalente do gerador
20
Cálculo de tensão no gerador
21
Equação da tensão no gerador
21
Regulação de tensão no gerador
22
Polarização dos enrolamentos de campo, tipos e nomenclatura de campos e
22
armadura. Perdas e eficiência de uma máquina CC
24
Referências bibliográficas
26
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Gerador de corrente contínua
GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA O gerador é uma máquina rotativa que converte energia mecânica em energia elétrica. A energia mecânica pode ser fornecida por uma queda-d’água, vapor, vento, gasolina, óleo diesel ou por um motor elétrico. PARTES COMPONENTES DE UMA MÁQUINA CC A Fig. 1, mostra um corte de uma máquina CC comercial típica, simplificada para dar ênfase às partes principais. As partes principais dos motores e geradores de corrente contínua são basicamente as mesmas.
Fig. 1 - As partes principais de uma máquina CC Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Armadura Em um motor, a armadura recebe a corrente proveniente de uma fonte elétrica externa. Isto faz a armadura girar. Em um gerador, a armadura gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então ligada a um circuito externo. Em resumo, a armadura do motor recebe a corrente de um circuito externo (a 5 de 26
Gerador de corrente contínua
fonte de alimentação), e a armadura do gerador libera corrente para um circuito externo (a carga). Como a armadura gira, ela é também chamada de rotor. O núcleo da armadura é construído de camadas laminadas de aço, provendo uma faixa de baixa relutância magnética entre os pólos. As lâminas servem para reduzir as correntes parasitas no núcleo, e o aço usado é de qualidade destinada a produzir baixas perdas. O núcleo contém ranhuras axiais na sua periferia para colocação do enrolamento da armadura, constituído de bobinas isoladas entre si e do núcleo da armadura, colocadas nas ranhuras e eletricamente ligadas ao comutador.
Comutador Uma máquina CC tem um comutador para converter a corrente alternada (induzida) que a pela sua armadura em corrente contínua liberada através de seus terminais (no caso do gerador). O comutador é constituído por segmentos de cobre, com um par de segmentos para cada enrolamento da armadura. Cada segmento do comutador é isolado dos demais por meio de lâminas de mica. Os segmentos são montados em torno do eixo da armadura e são isolados do eixo e do ferro da armadura. No estator da máquina são montadas duas escovas fixas, que permitem contatos com os segmentos opostos do comutador. Escovas São conectores fixos de grafita, montados sobre molas que permitem que eles deslizem(ou “escovem”) sobre o comutador no eixo da armadura. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa (no caso do gerador). As escovas estão sempre instantaneamente conectadas a um segmento do comutador e em contato com uma bobina localizada na zona interpolar. Enrolamento de Campo Este eletroímã produz o fluxo interceptado pela armadura. Em um motor, a corrente para o campo é fornecida pela mesma fonte que alimenta a armadura. No gerador, a fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente da própria armadura. Constituído de umas poucas espiras de fio grosso para o campo-série ou muitas espiras de fio fino para o campo-shunt (em derivação). 6 de 26
Gerador de corrente contínua
Tipos de enrolamentos de campo das máquinas CC Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
TENSÃO GERADA Se uma bobina com uma única espira é posta a girar num campo magnético uniforme a uma velocidade constante, a fem induzida num determinado lado da bobina variará com o seu movimento através das várias posições de 0 a 7, conforme mostra a Fig. 2
(a) Posições instantâneas de rotação
(b) Fem nas posições respectivas
à velocidade constante Fig. 2 - Fem gerada por uma bobina móvel em um campo uniforme Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
Usando o lado ab da bobina como referência, note-se que, quando ele estiver na posição 0 da Fig. 2.(a), a fem induzida na bobina será zero, uma vez que o condutor ab (bem como o condutor cd) está se movimentando paralelamente ao campo magnético, sem cortar as linhas de força. Quando o condutor ab se movimenta para a posição 1, girando no sentido horário, ele corta o campo magnético uniforme num ângulo oblíquo de 7 de 26
Gerador de corrente contínua
45º. A fem induzida neste condutor em movimento ascendente, com respeito a uma carga externa, será positiva (na fonte a corrente sai do terminal positivo) e seu valor será de aproximadamente 70,7 por cento da máxima tensão induzida (v = v máx . sen ө ; onde ө = 45º). A variação na tensão é mostrada graficamente na Fig. 2.(b), onde a fem é positiva na posição 1 e tem o valor aproximado indicado. Quando a bobina alcança 90º, posição 2, o condutor ab se move perpendicularmente ao campo magnético, e tem o máximo valor positivo mostrado na Fig. 2.(b). A posição 3, que corresponde a um ângulo de 135º, leva a uma fem no lado ab da bobina idêntica à produzida na posição 1, pois (sen 135º = sen 45º), com polaridade positiva uma vez que o condutor ainda se movimenta ascendentemente, mas a variação do fluxo ocorre numa razão menor que a da posição 2. Quando o condutor ab alcança 180º, posição 4, a fem induzida é novamente zero, uma vez que não há variação de fluxo quando o condutor se movimenta paralelamente ao campo magnético. Na posição 5, correspondendo a 225º, a fem induzida no condutor ab tem a polaridade invertida, uma vez que ab agora se move descendentemente no mesmo campo magnético uniforme. A fem induzida aumenta até um máximo negativo a 270º, na posição 6, e finalmente decresce, ando pela posição 7 e voltando a zero na posição 0. Deve-se notar que a natureza da fem induzida em um condutor que gira num campo magnético é, ao mesmo tempo, senoidal e alternativa. A fem alternada é produzida nos condutores de todas as máquinas girantes, seja CC ou CA. Observe-se que durante este processo não há fem induzida nos condutores bc ou ad, uma vez que eles se movimentam na mesma direção no mesmo campo e produziriam, portanto, fem iguais em oposição. Os lados da bobina ab e cd, entretanto, auxiliam-se mutuamente e a fem total produzida pela bobina é o dobro do valor representado na Fig. 2.(b). Deve-se notar que não se produz fem nas posições 0 e 4, conhecidas como zonas neutras ou interpolares da máquina. RETIFICAÇÃO POR MEIO DE UM COMUTADOR A fim de se converter a tensão alternada (CA) em unidirecional (CC), é necessário empregar-se um dispositivo de chaveamento mecânico, que é acionado pela rotação 8 de 26
Gerador de corrente contínua
mecânica do eixo da máquina. Esse tal dispositivo é o comutador elementar mostrado na Fig. 3 (a).
(a) Posições instantâneas da bobina para
(b) Fem nas escovas e corrente de
carga produzida pela comutação. velocidade de rotação constante. Fig. 3 - Gerador bipolar com comutador de dois segmentos Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
O comutador, também chamado de coletor, consiste de dois segmentos, apoiados no eixo da armadura mas dela isolados, bem como isolados um do outro. Cada segmento do comutador do condutor é ligado, respectivamente, a um lado da bobina. Desde que os lados da bobina e os segmentos do comutador estão mecanicamente ligados ao mesmo eixo, a ação mecânica da rotação é a de reverter as ligações e a bobina da armadura a um circuito externo estacionário, no mesmo instante em que se inverte a fem induzida no respectivo condutor (isto é, quando o lado da bobina se desloca para um pólo de nome oposto). Como mostram as Fig. 2 e 3, a fem induzida em um condutor ab é de polaridade positiva para os primeiros 180º de rotação (posições de 0 a 4), e de polaridade negativa para os outros 180º (posições de 4 a 0), usando-se o método da Regra de Fleming da Mão Direita (gerador) para a determinação da polaridade. Mas, na Fig. 3 o condutor ab está ligado ao segmento 1 do comutador e o condutor cd ao segmento 2. Para os primeiros 180º de rotação, portanto, a fem positiva produzida pelo condutor ab é ligada à escova estacionária positiva. Para os seguintes 180º de movimento, a fem negativa produzida pelo condutor ab está ligada à escova estacionária negativa. O mesmo efeito ocorre na ordem inversa para o condutor cd. Assim, a ação do comutador é de inverter
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simultaneamente as ligações ao circuito externo no mesmo instante em que se inverte o sentido da fem em cada um dos lados da bobina. Cada escova, positiva ou negativa, respectivamente, é mantida, pois, sempre na mesma polaridade. A Fig. 3(b) mostra a forma de onda da fem (e da corrente) produzida como resultado do processo acima para um ciclo completo (ou 360º) de rotação. A corrente unidirecional pulsante, que tem um valor zero duas vezes por ciclo, como mostra a Fig 3(b), é dificilmente utilizável como alimentação CC comercial. A fem de saída pode ser tornada menos pulsativa pelo uso de um grande número de bobinas ou segmentos do comutador. O efeito de aumentar-se o número de bobinas e segmentos é mostrado na Fig. 4(a) e a forma de onda resultante é mostrada na Fig. 4(b). Com apenas duas escovas e quatro segmentos, há agora quatro comutações mostradas como a, b, c e d na Fig. 4(b), num ciclo de rotação completo (tempo de t a t’). Logo, a fem resultante é menos pulsante.
(a) Vista da seção transversal.
(b) Forma de onda resultante nas escovas.
Fig. 4 - Efeito de quatro condutores e segmentos sobre a forma de onda na saída Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
Em um gerador, a área onde nenhuma tensão pode ser induzida numa espira da armadura é chamada de plano de comutação ou plano neutro. Este plano está a meia distância entre pólos norte e sul adjacentes. As escovas são sempre colocadas de modo a produzir um curto-circuito entre as bobinas da armadura que estão atravessando o plano neutro, e simultaneamente a saída é retirada das outras bobinas. Nesse instante não há corrente e, portanto, não há centelhamento nas escovas.
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Fig. 5 - Ação comutadora correta da escova numa armadura Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Se deslocarmos as escovas alguns graus, elas porão a bobina em curto quando ainda estiver cortando o campo magnético. Como conseqüência, uma tensão será induzida na bobina em curto e a corrente de curto-circuito causará centelhamento nas escovas. Esta corrente de curto-circuito pode danificar seriamente as bobinas e queimar o comutador.
Fig. 6 - Centelhamento nas escovas do comutador Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Quando a armadura gira no sentido do movimento dos ponteiros do relógio, a corrente no lado esquerdo da bobina sai da página, e no lado direito entra na página. Também está representado o campo magnético produzido em torno de cada lado da bobina. Agora existem dois campos: o campo principal e o campo em redor da cada lado da bobina. A figura 7 mostra como o campo da armadura distorce o campo principal e como o plano neutro é deslocado no sentido da rotação. Se as escovas forem mantidas no plano neutro original, elas colocarão em curto bobinas com tensão induzida. Conseqüentemente, haverá centelhamento entre as escovas e o comutador. Para evitar isto, as escovas devem ser deslocadas para o novo plano neutro. O efeito da armadura ao deslocar o plano neutro é chamado de reação da armadura. 11 de 26
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Fig. 7 - Reação da armadura Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
CARACTERÍSTICAS DOS GERADORES CC QUANTO À EXCITAÇÃO E TIPOS DE CAMPOS INDUTORES Os geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de campo utilizado. Quando o campo do gerador é fornecido ou “excitado” por uma fonte CC independente (separada), como por exemplo, uma bateria, ele é chamado de gerador de excitação separada ou independente, e quando ele fornece a sua própria excitação, é chamado de auto-excitado.
EXCITAÇÃO SEPARADA Excitação separada – Possui dois circuitos independentes; um circuito de campo e o outro circuito da armadura. A sua corrente de excitação é fornecida por uma fonte externa de CC (excitatriz), podendo ser um grupo de baterias ou um gerador CC autoexcitado, etc.
Diagrama do circuito de um gerador CC com excitação separada Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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Gerador auto excitado A corrente de excitação é fornecida pelo próprio gerador, sendo isto possível através do magnetismo residual retido pelas peças polares, que produz uma pequena FEM quando o gerador é acionado. A pequena corrente inicial vai de maneira progressiva fortalecendo o campo indutor até a sua máxima densidade. O campo dos geradores desse tipo de excitação pode ser ligado de três maneiras em relação à armadura: paralelo, série e composto. GERADOR PARALELO Paralelo (Shunt ou derivação) - Características físicas: O campo indutor é ligado em paralelo com a armadura e com a carga. Essas bobinas do campo são feitas com muitas espiras de fio fino (tensão). O reostato de campo é ligado em série com o campo indutor
e
com a armadura.
Características
elétricas:
A tensão
é constante
(VT=VL=VC=VA) para as diferentes condições de carga e a carga é variável (IA=IL+IC). Pelo fato do campo indutor e a armadura formarem um circuito fechado, a excitação é independente da carga, permitindo assim uma máxima tensão de saída mesmo com o circuito de carga aberto. Neste tipo de gerador funcionando sem carga, a corrente de campo é igual à corrente da armadura (circuito série); sendo máxima com aumento de carga, e com esse aumento a tensão de saída sofrerá uma leve redução (efeito da reação motriz, queda de velocidade) podendo ser corrigida com o aumento da corrente de excitação, fazendo-a estabilizar. São muitos usados na alimentação de sistemas que necessitam de tensão constante, como por exemplo, sistema de iluminação e de força.
Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado em derivação Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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GERADOR SÉRIE Características físicas: O campo indutor é ligado em série com a armadura e com a carga. Essas bobinas do campo são feitas com poucas espiras de fio grosso (baixa resistência para a agem de corrente), para poder ar as altas correntes de carga. O reostato do campo (RC) é ligado em paralelo com o campo indutor. Características elétricas: corrente constante (IT=IC=IA=IL) com uma tensão variável (VT=VL+VA). Neste gerador sem carga a tensão de saída é mínima, pois é só aquela produzida pelo magnetismo residual, com o aumento da carga a tensão sobe de forma gradativa até chegar no ponto de colapso aonde ele sofrerá uma queda brusca, pois isto é possível devido as características do condutor do campo indutor.
Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado em série Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
GERADOR COMPOSTO No gerador composto, o campo-shunt predomina e é o mais forte dos dois. Quando a fmm do campo-série auxilia a fmm do campo-shunt, o gerador é denominado de composto cumulativo (ou aditivo). Quando a fmm do campo-série se opõe à fmm do campo-shunt, o gerador é denominado de composto diferencial (ou subtrativo). É igual ao circuito paralelo, porém este compensa a pequena queda de tensão com a utilização de um campo indutor em série. Possuem dois campos indutores, sendo um ligado em série com a armadura e o outro ligado em paralelo com a mesma. Os reostatos de campo são resistências ajustáveis colocadas nos circuitos de campo para variar o fluxo do campo e, portanto, a f.e.m. gerada pelo gerador. No campo-
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Gerador de corrente contínua
shunt o controle do fluxo magnético (através do controle da corrente) é realizado com um reostato colocado em série com o enrolamento de campo-shunt, já no campo-série o reostato deve ser colocado no circuito em paralelo com o enrolamento de campo-série. De acordo com o sentido desses fluxos magnéticos nos campos do indutor os geradores compostos são classificados em aditivos e diferenciais. 1) Diferenciais – Os fluxos dos campos série e paralelo têm o sentidos opostos e, portanto se subtraem. 2) Aditivos- Os fluxos dos campos série e paralelo possuem o mesmo sentido e portanto se somam, ou seja, esse indutor que foi acrescido em série reforça o campo produzido pelo enrolamento paralelo, aumentando a Força Magnetomotriz (FMM). Quando aumenta a carga, o fluxo do campo também aumenta, podendo então aumentar ou diminuir a tensão terminal do gerador, sendo esta determinada pela influência das bobinas desse campo série sobre o fluxo produzido pelo campo paralelo, que é chamado de “grau de composição”. E esse grau de composição determina a variação da tensão de saída do gerador quando houver um aumento de carga, e pode ser de três tipos: a) Hipercompostos – A tensão de saída com plena carga é maior que sem carga. As cargas estão distantes do gerador. São os mais usados. b) Média composição – A tensão de saída com plena carga é igual à de com sem carga. Usados quando as cargas estão próximas do gerador. c) Sub compostos (Hipocomposto) – A tensão de saída a plena carga é ligeiramente superior do que o sem carga, sendo parecido com o gerador paralelo. São pouco usados. OBSERVAÇÃO Ainda existe a “resistência difusora” que regula o grau de composição dos geradores aditivos, sua resistência é baixa e é ligada em paralelo com o campo série, permitindo a ajustagem da tensão na condição de plena carga. Quanto maior for à corrente através da resistência, menor será a influência do campo série sobre o campo paralelo. Já o reostato de campo no circuito da bobina de campo em paralelo permite o ajuste da tensão na de sem carga do gerador composto.
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Reostatos de campo e curvas características de um gerador CC auto-excitado composto Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
Os geradores compostos são ainda classificados quanto à ligação do campo indutor paralelo em relação ao campo indutor série e a armadura em longa derivação e curta derivação. a) Longa derivação – O campo indutor paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série). b) Curta derivação – O campo indutor paralelo é ligado em paralelo só com a armadura.
(a) Excitação composta com derivação (b) Excitação composta com derivação Curta Longa Diagrama do circuito de um gerador CC auto-excitado composto Fonte : Edição Revista / Eletricidade Básica – Van Valkenburgh
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Gerador de corrente contínua
Gerador composto aditivo de longa derivação As bobinas dos campos indutores série e paralelo produzem fluxos que se somam. O reostato de campo indutor é ligado em série com o campo paralelo. O campo paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série). Um aumento de carga faz aumentar a corrente que circula pelo campo indutor série, aumentando sua excitação, com isso o fluxo total e a tensão de saída também aumentará. A corrente de excitação a pelo campo série e pela armadura. Gerador composto aditivo de curta derivação Possui as mesmas características do gerador anterior, diferindo só em relação ao campo paralelo, pois ele é ligado em paralelo só com a armadura. A corrente de excitação não a pelo campo série e sim só pela armadura. Gerador composto diferencial de longa derivação Como dito anteriormente as bobinas dos campos série e paralelo produzem fluxos em sentidos opostos e, portanto se subtraem (por ser diferencial). O campo paralelo é ligado em paralelo com o conjunto (armadura e campo série), pois é de longa derivação. Com o aumento de carga aumenta a excitação do campo série, cujo fluxo por estar em oposição ao fluxo do campo paralelo reduz o fluxo total, reduzindo assim a tensão de saída. A corrente de excitação a pelo campo série e pela armadura. Gerador composto diferencial de curta derivação Possui as mesmas características do anterior, diferindo só em relação ao campo paralelo que é ligado em paralelo só com a armadura. A corrente de excitação não a pelo campo série e sim só pela armadura. OBS.: 1 - Os geradores compostos diferencias têm pouca utilidade prática devido as suas características, tendo aplicação em gerador de solda elétrica. 2 -Para transformar um gerador aditivo em diferencial ou vice-versa, devem-se inverter os terminais do campo série ou da armadura. Não devendo inverter os terminais do campo paralelo, pois isso causaria na eliminação do magnetismo residual.
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A regulação de tensão de um gerador série é muito pobre. Mas não pode ser negada a capacidade do campo-série de produzir magnetização adicional útil em resposta ao incremento de carga. Esta característica útil do campo-série, combinada com a característica de tensão relativamente constante do gerador shunt, conduziu ao gerador composto que é muito mais usado do que os outros tipos de geradores CC, porque pode ser projetado de modo a oferecer uma ampla variedade de características.
AUTO-EXCITAÇÃO DE UM GERADOR SHUNT Como o gerador shunt auto-excitado está suprindo uma corrente relativamente pequena (em proporção à sua corrente nominal) para excitar seu próprio circuito de campo, pode-se supor que a queda de tensão interna r aIa é desprezível, e que o valor de Vta (tensão nos terminais da armadura) é igual ao valor de Vg (tensão gerada na armadura). Logo, é possível representar a reta associada à resistência de campo (Vf If) e a curva de magnetização da máquina (Vg If) em um eixo comum. Esta representação é vista na Figura abaixo.
Escorvamento de um gerador shunt auto-excitado. Fonte: Máquinas Elétricas e transformadores – Irving Kosov
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Gerador de corrente contínua
Como o circuito de campo é ligado diretamente aos terminais da armadura, a ordenada (valores do eixo y) da reta da resistência de campo, Rf, é a tensão nos terminais da armadura, Vta. A maneira pela qual o gerador shunt auto-excitado excita seu próprio campo e adquire uma tensão CC nos terminais da sua armadura é descrita com os seguintes os:
1.
Suponha que o gerador parte do repouso, ou seja, a máquina primária tem velocidade nula. Apesar do magnetismo residual, a fem gerada, Vg, é zero.
2.
À medida que a máquina primária faz girar a armadura, e a velocidade se aproxima do valor nominal, a tensão induzida devido ao magnetismo residual (Vg=k⋅φ⋅n ) e a velocidade (n) aumentam.
3.
Na velocidade nominal, a tensão na armadura devido ao magnetismo residual é pequena, E1, como se vê na Figura. Mas esta tensão também está aplicada no circuito de campo, cuja resistência é Rf. Assim, a corrente que flui no circuito de campo, I1, é também pequena.
4.
Quando I1 flui no circuito de campo do gerador, resulta um aumento na fmm (devido a Nf I1), que auxilia o magnetismo residual, aumentando a fem induzida para E2.
5.
A tensão E2 é agora aplicada na resistência de campo, provocando a circulação de uma corrente I2 maior no circuito de campo. Nf I2 é uma fmm incrementada que produz uma tensão gerada E3.
6.
E3 produz I3 no circuito de campo, que gera E4. Mas E4 provoca a circulação de I4 no campo, que produz E5; e assim por diante, até alcançarmos E8 que é o máximo valor.
7.
O processo continua até o ponto em que a reta da resistência de campo corta a curva de magnetização. Aqui o processo pára. a tensão induzida produzida,
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quando aplicada no circuito de campo, produz um fluxo de corrente que, por sua vez, produz uma fem induzida de mesma magnitude, E8, como se mostra na figura. CIRCUITO EQUIVALENTE DO GERADOR As relações entre tensão e corrente em um circuito equivalente de um gerador CC de acordo com a Lei de Ohm, são.
Vta = Vg − ra ⋅ I a Vt = Vg − ( ra + rs ) ⋅ I a I L = Ia − I f onde: Vta
tensão nos terminais da armadura, V
Vg
tensão gerada na armadura ou força eletromotriz fem, V
Vt
tensão nos terminais do gerador, V
ra
resistência do circuito da armadura (incluindo a resistência de
contato nas escovas), rs
resistência do campo em série,
rd
resistência do campo em derivação,
Ia
corrente da armadura, A
Is
corrente do campo em série (Is=Ia ou Is=IL), A
Id
corrente do campo em derivação, A
IL
corrente da carga (ou corrente na linha), A
Circuito equivalente de um gerador CC (derivação longa) Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum
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CÁLCULO DE TENSÃO NO GERADOR Um gerador que possui uma resistência de armadura (incluindo as escovas) de 0,025 Ω , e uma resistência de campo em série de 0,005 Ω . Ele é mantido em 1.200 rotações por minuto (rpm) através de um motor de velocidade constante. Calcule a tensão gerada na armadura.
Vg = Vt + ( ra + rs ) ⋅ I a
RESPOSTA: :
Vg = 250 + 400 ⋅ ( 0 ,025 + 0 ,005) = 250 + 12 = 262 V
EQUAÇÃO DA TENSÃO NO GERADOR A tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada através da fórmula: VS = onde: Vg
P.Z .φ .n 60.a
tensão média gerada por um gerador CC, V
p
número de pólos
Z
número total de condutores da armadura
φ
fluxo por pólo, Wb
n
velocidade da armadura (ou rotor), rpm
a
número de caminhos paralelos através da armadura, dependendo do
tipo de enrolamento da armadura(imbricado ou ondulado). Para qualquer gerador, todos os fatores, são fixos, exceto φ e n. Portanto, fórmula pode ser simplificada assumindo a forma:
Vg = k ⋅ φ ⋅ n onde:
k=
p⋅ Z 60 ⋅ a
A Equação revela que o valor de uma fem induzida em qualquer circuito é proporcional à razão com que o fluxo está sendo interceptado. Assim, se φ duplicar e n permanecer o mesmo, o valor de Vg também é duplicado. Analogamente, se n dobrar de valor, permanecendo φ constante, Vg também dobra.
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REGULAÇÃO DE TENSÃO NO GERADOR A regulação de tensão de um gerador é a diferença entre a tensão nos terminais sem carga (SC) e com carga máxima (CM), e é expressa como uma porcentagem do valor da tensão nos terminais com carga máxima (ou carga nominal). R( % ) =
VSC − VCM × 100% VCM
Uma regulação com baixa porcentagem, característica de circuitos de iluminação, significa que a tensão nos terminais do gerador é praticamente a mesma com carga máxima ou quando está sem carga (em vazio).
POLARIZAÇÃO DOS ENROLAMENTOS DE CAMPO, TIPOS E NOMENCLATURA DE CAMPOS E ARMADURA. Os enrolamentos de campo são ligados de maneira a produzir pólo norte e pólo sul em funções opostas que determinaram o sentido da f.e.m nos condutores da armadura. Os enrolamentos do campo formam o eletroímã que estabelece o fluxo de campo gerador. Esses enrolamentos recebem corrente de uma fonte CC externa ou podem ser ligados diretamente na armadura. Quando ligados estabelecem o fluxo magnético no campo, peças polares, entreferro e núcleo da armadura.
Enrolamentos da Armadura Tipos de enrolamentos da armadura 1.
Armadura com bobina simples.
2.
Enrolamento com anel de Gramme.
3.
Armadura com tambor.
4.
o simples.
5.
o simples em ondas.
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Armadura com bobina simples O enrolamento de armadura consiste de uma única espira. A rotação dela dentro do campo magnético faz com que nela se induza uma f.e.m cuja grandeza depende da intensidade do campo magnético e da velocidade de rotação do condutor. Obs. com a adição de mais espiras, a tensão de flutuação (ripple) pode ser reduzida a um valor mínimo. Enrolamento com anel de Gramme. O enrolamento com anel de Gramme consiste de um fio isolado enrolado em uma forma metálica na forma de anel com derivações a intervalos regulares que são ligados aos segmentos. As partes do enrolamento localizadas no interior do anel praticamente não cortam linhas do fluxo e atuam apenas como ligação para as partes ativas localizadas na face externa do anel. Porque apenas uma pequena fração do condutor é usada para gerar tensão. Esse tipo de enrolamento requer uma grande quantidade de espiras para produzir uma determinada tensão. Enrolamento tipo tambor No enrolamento básico tipo tambor, todos os condutores ficam alojados nas ranhuras e próximos
da superfície da armadura. Nas armaduras tipo tambor,com
exceção das ligações terminais da bobina, todo fio de cobre é usado para gerar a f.e.m. A distância entre os dois lados da bobina é conhecido como o da bobina. Há certas semelhanças entre os enrolamentos tipo anel de Gramme e o tipo tambor. A distribuição de tensão é a mesma, assim como o número de percursos. Em ambos os tipos, quando uma escova faz contato com dois segmentos,é feito o curto circuito em uma bobina. Enrolamento de o simples imbricado As armaduras de CC são geralmente pré-moldadas. O termo salto se refere a distância guardada entre um elemento ativo do enrolamento e outro da mesma bobina. O salto deve ser igual à distância periférica entre os centros do campo polares adjacentes de maneira que a tensão gerada nos dois pólos da bobina ficam em série aditiva. Esta distância é denominada largura de pólo. Quando o salto de uma bobina é menor que a 23 de 26
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largura do pólo, o enrolamento toma o nome de enrolamento com largura de pólo fracionária. As bobinas com largura fracionária apresentam reduzida f.e.m porque as tensões nas bobinas não atingem o valor máximo no mesmo instante. Características: -Há tantos percursos e posições de escova quanto forem os campos polares. -O enrolamento da armadura forma um circuito fechado contínuo. -É usado para alimentar cargas que demandem corrente relativamente alta com tensão baixa. Enrolamento de onda simples No enrolamento de onda simples, os grupos de bobinas sob a ação de pares de pólos similares, geram em qualquer instante, tensões iguais e estão ligadas em série. Por isso também é denominado enrolamento série. Características: -Há dois percursos paralelos e duas posições de escova independente dos campos polares. -O enrolamento é de alta tensão e baixa corrente. -O enrolamento forma um circuito fechado contínuo. PERDAS E EFICIÊNCIA DE UMA MÁQUINA CC As perdas nos geradores e motores consistem nas perdas no cobre dos circuitos elétricos (enrolamento da armadura e enrolamento de campo), nas perdas no ferro dos circuitos magnéticos (núcleo do rotor e estator) e nas perdas mecânicas produzidas pela rotação da máquina. As perdas incluem: 1. Perdas no cobre. 2.
Perdas no enrolamento da armadura Ra.Ia2.
3. Perdas nos enrolamentos de campo. 4.
Rd.Id2 no campo em derivação.
5.
Rs.Is2 no campo em série.
6. Perdas no ferro. 7. Perdas por correntes parasitas. 24 de 26
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8. Perdas por histerese. 9. Perdas mecânicas ou rotacionais. 10.Perdas por atrito. (a) Atrito nos mancais (rolamentos). (b) Atrito nas escovas. (c) Atrito com o ar (ventilação). As perdas elétricas no cobre estão presentes, porque é consumida uma certa potência quando se faz ar uma corrente através de uma resistência. À medida que a armadura gira no campo magnético, a fem induzida nas partes de ferro permite a agem de correntes parasitas ou de Foucault, que aquecem o ferro representando assim um desperdício de energia (perdas magnéticas). As perdas por histerese ocorrem quando um material magnético é magnetizado inicialmente num sentido e em seguida no sentido oposto. Outras perdas rotacionais são produzidas pelo atrito dos rolamentos nos mancais, pelo atrito das escovas apoiadas sobre o comutador e pelo atrito com o ar (perdas mecânicas). A eficiência (ou rendimento) é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada. Eficieˆncia =
Saida Entrada
Eficieˆncia =
Entrada − Perdas Saida = Entrada Saida + Perdas
A eficiência é geralmente expressa na forma de porcentagem. Eficieˆncia ( % ) =
Saida × 100% Entrada
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[ 1 ] GUSSOW, Milton. Eletricidade Básica. 2. ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. 639 p. [
2
]
VAN VALKENBURGH, Nooger & Neville, Inc. Eletricidade Básica: Revista
Básica. Rio de janeiro: Ao Livro Técnico, 1982. v. 5, 165 p. [ 3 ] KOSOW, Irving L., Máquinas Elétricas e Transformadores. 8. ed. São Paulo: Globo, 1989. 667 p. [ 4 ] FITZGERALD, A. E., KINGSLEY JR, Charles, KUSKO, Alexander. Máquinas Elétricas: Conversão Eletromecânica da Energia, Processos, Dispositivos e Sistemas. São Paulo: McGraw – Hill do Brasil, 1975. 623 p. [ 5 ] WALTKINS, Albert James, Cálculos de Instalações Elétricas, São Paulo: Edgard Blücher, 1975, 2v. v. 2, p. 71-84. [ 6 ] http://meusite.mackenzie.com.br/dilburt/anotacoesdeconversaoum072sem2005.pdf, ado em 10/09/2008.
[
7 ] http://paginas.fe.up.pt/maquel/AD/SGEE_2.pdf, ado em 09/09/2008.
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