Geradores de Corrente Contínua-pdf

GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA Principais Partes Construtivas de Uma Máquina de Corrente Continua

1-

Carcaça

6-

Enrolamento da Armadura

2-

Sapatas polares

7-

Bobinas de Campo Shunt

3-

Rotor ou Armadura

8-

Bobinas de Campo Série

4-

Coletor ou Comutador

9-

Interpolos

5-

Escovas

10- Bobinas de Interpolo

Descrição das principais partes constituintes de uma máquina cc

1-

Carcaça Constitui a estrutura externa da maquina, faz parte do seu circuito magn ético e pode ser feita de aço ou ferro fundido.

2-

Sapatas Polares

magnético de boa qualidade; São ligadas solidariamente a carcaça e devem ser feitas de material ferro magnético na maquina através da armadura. serve para conduzir o fluxo magnético principal na Entre a sapata polar e a carcaça fica o núcleo do pólo que aloja as bobinas de campo.

3-

Rotor ou Armadura

É a parte rotatória da maquina que é constituída de lâminas para diminuição de perdas Foucault. As lâminas do rotor possuem ranhuras que servem para alojar o enrolamento da armadura e conseqüentemente apresenta saliências cha madas dentes, (o rotor n ão pode ser maciço porque existe variação de fluxo oriundo das sapatas polares).

4-

Coletor ou comutador Toda a vez que uma espira do enrolamento da armadura passa pela linha neutra (linha de simetria magnética da maquina) ela deve ter sua corrente invertida, essa inversão é feita pelo comutador que é constituído por uma sucessão de laminas condutoras isoladas uma da outra dispostas numa superfície cilíndrica.

5-

Escovas As escovas s ão os terminais do enrolamento da armadura e correspondem aos terminais de entrada de energia elétrica para os motores ou terminas de saída de energia elétrica nos geradores. As escovas são feitas de uma liga de carbono e grafite e deslizam sobre a superf ície do coletor. A posição das escovas deve ser tal que a comutação em cada espira no enrolamento da armadura se de durante a passagem pela linha neutra.

6-

Enrolamento da Armadura Esse enrolamento esta encaixado nas ranhuras do rotor e deve ser distribu ído ao longo dessas ranhuras de forma que se tenha entre as escovas uma simetria independentemente da posição do rotor, ou seja, quando se caminha através desse enrolamento de uma escova até a outra escova se encontre igualmente distribuídas; o mesmo número de espiras associadas em serie. Existem dois tipos de enrolamentos, o ondulado e o imbricado.

7-

Bobinas de Campo Shunt As bobinas de campo shunt est ão situadas, como já foi dito, no núcleo dos pólos, são constituídas por  um grande número de espiras. Serve para produzir o campo principal da maquina ,tem esse nome porque são ligadas em paralelo co o enrolamento da armadura.

8-

Bobinas de Campo Série Tem a mesma finalidade das bobinas de campo shunt, isto é,contribuem para o fluxo principal da maquina,também estão situadas nos núcleos dos pólos e tem esse nome porque são ligadas em serie com o enrolamento da armadura.São constituídas por um número bem menor de espiras porem de fio mais grosso do que as bobinas do campo shunt. De acordo com os enrolamentos existentes:

cam po série. Maquina Série: Quando utiliza apenas o campo Maquina Shunt: Quando utiliza apenas o campo shunt. Maquina composta ou Compound: Quando utiliza os dois enrolamentos.

9- Interpolo Com a maquina em funcionamento havendo passagem de corrente pelo enrolamento da armadura, haverá produção de outro campo de indução magnética chamado campo de reação da armadura ou

c ampo principal. campo de quadratura, pois ele tem uma direção aproximada de 90º em relação ao campo Esse fato provocaria uma alteração na posição da linha neutra da maquina com prejuízo para a

sens ivelmente melhorado com a introdução dos interpolos que são peças comutação. Esse fato pode ser sensivelmente polares localizadas na posi ção da linha neutra da maquina, sobre os interpolos enrolam -se as bobinas de campo do interpolo.

10- Bobinas de campo do Interpolo São ligadas em serie com o enrolamento da armadura num sentido tal que o campo por elas produzido se oponha ao campo de rea ção da armadura.

CAMPO DE REA ÇÃO DA ARMADURA

Distorção resultante do fluxo polar produzido pelo fluxo da armadura .

Reação da armadura Colocação dos Interpolos LN

N

LN

S

"LN"

LEI DE FARADAY E NEUMANN

REGRA DA MÃO DIREITA

GERADOR ELEMENTAR - POLARIDADE DE UM GERADOR ELEMENTAR

O condutor deve ser tratado como uma fonte f onte de FEM.

Se uma carga fosse ligada aos terminais, terminais, circulara uma corrente do terminal terminal positivo através da carga , até o terminal negativo .

R

F.E.M. senoidal gerada por uma bobina girando em um campo magn ético uniforme à velocidade constante.

Seguimento (ab) como referência.

OBS: Na posição de 45º a tensão induzida (com respeito a uma carga externa) E = 70,7% da máxima tensão induzida.

RETIFICAÇÃO DA FORMA DE ONDA GERADA ATRAVÉS DO COMUTADOR 

Seguimento (cd) como referencia nos primeiros 180º depois segmentos ( ab) (180º a 360º). Forma de onda resultante nas escovas.

GERADOR COM 2 BOBINAS, 4 SEGMENTOS ATIVOS E 4 LAMINAS DE COMUTADOR.

As escovas do gerador elementar mostrado na figura abaixo.

1 -

S

2

2'

N

+

1'

Forma de onda resultante nas escovas para a tens ão gerada na armadura.

EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DE TENSÃO DO GERADOR C.C. Eg = KON x 10

-8

Unidade ( V )

K= Constante da maquina O = Fluxo por p ólo N = Velocidade em rpm.  K  

 ZP  60a

Onde: Z= NÚMEROS TOTAL DE CONDUTORES DA ARMADURA. P = NUMERO DE POLOS. a = NUMERO DE CAMINHOS PARALELOS NA ARMADURA.

Exemplo: Z = 40 CONDUTORES. P = 2 POLOS. a = 2 CAMINHOS PARALELOS . 

8

= 6,48 x 10 LINHAS

N = 30 RPM.

 K  

40 x 2



60 x 2

4

 cte

6

8

Eg = 4/6 x 6,48x10 x 30 x 10  Eg   129,6V 

-8

Exemplo: Um gerador de oito pólos tem um total de 480 condutores distribuídos em 16 caminhos 7 paralelos.O fluxo por pólo é 1,6 x 10 ...linhas a velocidade é 1200 rpm. Se as faces polares cobrem

ície da armadura ,calcule: 75% da superf ície A) A tensão gerada entre as escovas. B) substituindo -se a armadura do gerador por outra que tem 4 caminhos paralelos , qual a nova tensão gerada entre as escovas.

C) A porcentagem na varia ção do fluxo original ou na velocidade a fim de que se desenvolva a mesma tensão do item A.

A) Eg = K  N x 10

-8

(V)

Eg = 0,75 xK  N x 10

 K  

 ZP  60 a



480 x8 60 x16

-8

(V)

4

 Eg   0,75 x 4 x1,6 x10 x1200 x10  576V 

 B )  K  

 ZP  60 a



480 x8 60 x 4

 16

 Eg   0,75 x16 x1,6 x10 x1200 x10  2304V 

C )  Ea  Eb



1 4

Para mantermos a mesma tensão do item A devemos diminuir o O ou N de 4 vezes ou seja uma redução de 75% .

Curva de magnetização Define-se curva de magnetização da maquina c.c. o gráf ico que fornece o fluxo por p ólo da maquina em função da corrente excitação dessa máquina ou seja corrente na bobina de campo.

Iniciando-se com a máquina totalmente desmagnetizada a curva de magnetização sai da origem (Öm = 0 ; Iex = 0) . razoavelmente Predomina no trecho inicial a relutância do entreferro sendo portanto esse trecho razoavelmente linear, a medida que o fluxo aumenta faz-se sentir a presença dos materiais ferromagnéticos iniciando -se a rmadura e extremidades das peças polares, a curva de magnetização afasta a saturação pelos dentes da armadura ção inicial caminhando para a saturação . Quando se reduz a corrente de excitação observa se da inclina se o fenômeno da histerese, o retorno sendo feito por  uma curva ligeiramente deslocada da anterior, conforme mostra a figura; na aus ência de corrente de excitação existe, portanto ,um pequeno fluxo remanente ou residual que é de fundamental importância para a existência das máquinas auto -excitadas.

CLASSIFICA ÇÃO DOS GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA A)

Independentemente excitados

B)

Auto excitados B1- Gerador Shunt B2- Gerador Serie B3- Gerador Composto ou Compoud

CURVA CARACTERÍSTICA DE MAGNET IZAÇÃO OU VAZIO

É a representação gráfica entre a F.E.M. induzida (Eg) da maquina em função da corrente de excitação nas bobinas de campo (Iex) mantido a rotação (N) constante.

É semelhante a curva de magnetização pois: K  cte da maquina Eg = KÖ N

sendo

N  cte

Eo = Tensão residual na maquina Eo 

Öres

que permanece na maquina.

Eg  Ö

E1 = K Ö1N1 (1) E2 = K Ö2N2 (2) p/ Iex1 = Iex2

 Ö1

= Ö2

(1) ( 2)

 E 1  E 2



 N 1  N 2

E N

CURVA CARACTERISTICA EXTERNA (CARGA)

É a representação gráfica da tensão de saída da maquina em função da corrente de excitação constante.

CURVA CARACTERISTICA DE REGULAÇÃO

É a representação gráfica da corrente c orrente de excitação em função da corrente de carga, mantidos constantes a tensão (V) e a rotação (N).

Exemplo: Um gerador independentemente excitado tem característica em vazio para 1200rpm dada pela tabela abaixo. A resistência da armad ura vale 0,5Ù. Pede-se: a) Construir a característica de vazio fornecer a uma carga 40 A sob tensão de 220 V , b) A corrente de excitação necessária para fornecer admitindo-se uma queda de tensão nas escovas constante e igual a 5V, na rotação 1200rpm

c arga 40 A sob tensão de 220 V, c) A corrente de excitação necessária para fornecer a uma carga admitindo-se uma queda de tensão nas escovas constante e igual a 5V e uma rotação de 2000 rpm . E(V) Iex(A)

15 0

57 0,25

95 0,5

135 0,75

167 1

195 1,25

218 1,5

237 1,75

248 2

254 2,25

A)

B)

C)

Exemplo: Um gerador gerador com excitação independente tem a característica de tensão sem carga de 125V, com uma corrente de campo de 2,1A.Quando gira na velocidade de 1600rpm.Supondo que está operando na porção reta de sua curva de saturação, calcule: a) A tensão gerada quando a corrente é aumentada para 2,6 A. b) A tensão gerada quando a velocidade é reduzida para 1450rpm e a corrente de campo é aumentada para 2,8 A.

 K   cte Sendo    N   cte

E varia proporcionalmente ao fluxo, como o

Ô

varia proporcionalmente a Iex.

256 2,5

 E    Iex  E 1  E 2



 Iex1  Iex 2

 A)

125

2,1



 E 2

2,6

 E 2  154,76V 

 B )

125



 E 2

1600 1450

113,28  E 



  E 2  113,28V 

2,1 2,8

  E   151,04V 

A existência de maquinas auto excitadas deve-se fundamentalmente a dois fatores: 1) A presença de remanência magnética na maquin a. A remanência magnética produz um pe quena pequeno fluxo residual, a m áquina estando em rotação, esse fluxo residual produzira uma pequena F.E.M. induzida no enrolamento da armadura, essa F.E.M induzida e que serve para dar o inicio ao escorvamento da maquina. 2) A não linearidade do circuito magnético da maquina. Essa não linearidade faz com que a ,ati nja um ponto de equilíbrio . tensão desenvolvida, a medida que a máquina escorva ,atinja

ESCORVAMENTO A passagem da tensão induzida na máquina do valor correspondente a o produzido pelo fluxo residual at é a tensão de regime chama -se escorvamento do gerador. Além das condições já existentes para que a máquina escorve, deverá ser satisfeita ainda outra condição como se descreve a seguir. ca mpo da máquina (máquina A tensão residual induzida na máquin a é aplicada a bobina de campo shunt). Haverá então passagem de uma pequena corrente de excitação ocorrendo duas possibilidades: fl uxo residual ou que essa pequena corrente de excita ção produz um campo de indução que reforça o fluxo enfraquece o fluxo residual. No primeiro caso,quando há reforço do fluxo residual a máquina ou gerador escorva ,no segundo caso isso n ão ocorre.

Deve-se observar que o sentido da corrente no enrolamento de campo de modo a produzir reforço, depende do sentido desse enrolamento e da polaridade da tens ão residual induzida, ou seja, do sentido de rotação do rotor.

Vide as figuras Bex Bex

Br

Br

Residual N

+

N

+

-

-

S

S

N ÃO ESCOR ESCORVA VA PODE ESCORVAR

Bex

Bex

Br

Br

N

-

+ S

PODE ESCORVAR

N

-

+ S

N ÃO ESCORV ESCORVA

Diagrama esquemático

Ra = Resistência da arm adura (Rw +Rc + Ri ) Ia = Corrente na armadura Iex = Corrente Corrente de campo IL = Corrente de carga Va = Tensão nos terminais da armadura Vf = Tensão através do circuito de campo Vl = Tensão através da carga Vesc = Queda de tensão nas escovas

Introdução Teorica

Quando a excitação é produzida por um enrolamento de campo conecctado através de toda a

e scovas da armadura, o gerador c.c. é chamado gerador shunt. tensão de linha produzida entre as escovas O rotor da armadura é representado por uma fonte de F.E.M. F.E.M. (Eg), uma resist resistência Rw, do enrolamento da armadura, uma resistência Rb das escovas. Todo o circuito da armadura consiste: da armadura (contida no retângulo) e dois enrolamentos opcionais o enrolamento de compensação Rc e o enrolamento dos interpolos Ri, localizados no estator. Assim a por ção do circuito da armadura que gira é a o estator. vista dentro do ret ângulo e a porção fixa do circuito da armadura esta fora do retângulo fixada ao Para simplificação, todas as resistências série s no circuito da armadura est ão adicionadas e englobadas numa única resistência Ra, chamada de resistência da armadura. O circuito de campo esta em paralelo com o circuito da armadura e consiste de um enrolamento de campo shunt executado sobre os n úcleos polares e um reostato de campo.

Exemplo: Um gerador shunt de 25 kW, 250 v, tem uma resistencia total de campo de 50Ω e uma Calc ule: resistência de armadura de 0,05 Ω. A queda de tensão nas escovas é constante e igual a 5 v. Calcule: A) corrente de plena B) corrente de campo C) corrente da armadura D) tensão gerada na situação de plena carga

Exemplo: Um gerador shunt cujos dados conhecidos s ão: Tensão = 110 v, Potência =75KW; corrente do reostato de campo =2,75 A. A resistência da armadura vale 0,075 ohms. Pede-se: A) A corrente de plena carga B) A resistência total do circuito de campo C) A corrente da armadura D) A tensão gerada na situação de plena carga

 A)  Il  

 P  V 



75000 110

 681,82 A

 B)  Rtotal  

Vf    If  



110 2,75

 40

C )  Ia   Il    If    681,82  2,75  684,57 A  D )  Eg   Va   RaxIa  110  0,075 x684,57  161,34V 

Diagrama Esquemático

Introdução: Quando a excitação é produzida por um enrolamento de campo ligado em série com a armadura, de modo que o fluxo produzido é função da corrente da armadura e da carga, o gerador c.c. é chamado gerador série. O campo série é excitado apenas quando a carga é ligada completan do o circuito. Como o enrolamento deve suportar toda a corrente da armadura, é constituído com poucas espiras de fio grosso. Como no caso precedente o enrolamento de compensa ção (Rc), localizado sobre os pólos, e o enrolamento interpolar (Ri), estão incluí dos em serie com o enrolamento da armadura a rmadura (Ra), girante que produz uma força eletromotriz (Eg).No circuito equivalente (sob carga) de um gerador série, nota -se que a corrente no enrolamento do campo serie (Is) é controlada por um resistor em paralelo de a juste (Rd) m aneira que o reostato num gerador  que providência um ajuste de excitação do campo série, da mesma maneira shunt.

Exemplo: Um gerador c.c. 10 KW, 250V tem uma queda de tensão nas escovas de 2V, uma resistência do circuito da armadura de 0,1 Ω,e uma resistência do campo série de 0,05 Ω.Quando entrega uma corrente nominal, calcule: A) A corrente da armadura B) A tensão gerada na armadura  A)  Ia   Il  

 P  Vl 



10000 250

 40 A

 B )  Eg   Va   RaxIa  Vecs Va  Vl   Vb  250  2  252V  Vb   RsxIs Vb  0,05 x 40  2V 

 Eg   252  0,1 x 40  2  Eg   258V 

GERADOR COMPOSTO ( COMPOUND )

Quando a Excitação de campo é produzida por uma combinação dos dois tipos de enrolamentos já estudados, enrolamento de campo série excitado pela corrente da armad ura ou corrente de linha e o enrolamento de campo shunt excitado pela tens ão da armadura, o gerador é chamado gerador composto.

A)

B)

Diferença entre os dois tipos de conexão: Shunt-longa → Ia excita o campo série Shunt-curta → Il excita o campo série

Qualquer que seja a forma de ligação (longa ou curta) a tensão nos terminais do gerador será: V = Eg - (RsxIs+RaxIa) (RsxIs+RaxIa) ( V ) Os geradores compostos ainda podem ser: 1) Cumulativos Quando a Fmm do campo s érie (Fmm=NsIs) auxilia a Fmm do campo shunt.

2) Diferenciais Quando a Fmm do campo s érie se opõe a Fmm do campo shunt.

C umulativo Características do Gerador Composto Cumulativo Os geradores compostos cumulativos podem ser: 1) Hiper-Compound 2) Flat-Compound 3) Hipo-Compund

(Hiper composto) (Composto normal) (Hipo composto)

Hiper Composto: Quando a tensão nos terminais aumenta com a aplicação de carga, ou seja, a tensão a plena carga é maior  que a tensão de vazio. Composto Normal: Quando a tensão a plena carga é igual à tensão de vazio. Hipo Composto: Quando a tensão a plena carga é um pouco menor que a vazio.

Exemplo: Um gerador composto ligado shunt  –  longa, 100KW, 500V, possui uma resist ência da armadura de 0,03Ω, uma resistência total do campo shunt de 125 Ω ,resistência do campo série de 0,01 Ω. A resistência de ajuste suporta 54. Calcule: A) O valor da resist ência de ajuste para carga nominal B) A tensão gerada a plena carga.

a)  Il  

 P 



100000

Vl 

 Iex 

Vf    Rt 

500



500 125

 200 A

 4 A

 Ia   Il    Iex  200  4  204 A  Is   Ia   Id   204  54  150 A

 Rs //  Rd    IdxRd    IsxRs  Rd  

 IsxRs  Id 

 Rd   0,0278 b)  Eg   Va   RaxIa  Vl    RaxIa   RsxIs  Eg   500  0,03 x 204  150 x0,01  507V 



150 x0,01 54

Exercícios

independente e girando a 1) Os dados obtidos no ensaio de um gerador de 25kw, 120v, com excita ção independente uma velocidade constante de 900rpm é mostrado na tabela abaixo: V(v) 4 40 60 80 100 120 140 Iex(A)

0

0,67

1,03

1,5

2,07

2,94

4,35

Pede-se:

a) Se a voltagem de excitação do gerador é constante e igual a 120v, qual deverá ser a resistência do circuito de excitação para que as voltagens geradas possam ser 40v e 120v, sendo a velocidade 900rpm. b) Se as bobinas de excita ção tem um a resistência de 33 Ω, especificar o reostato que proporcione um intervalo de voltagem entre 40 e 120v. c) Se a resistência do circuito de excitação se mantém constante em 41 Ω, qual é a corrente de excitação se a voltagem de excitação é 120v,e qual é a voltage m gerada quando a velocidade for 700rpm e 1100rpm.

campo de 2) Um gerador shunt de 250v, 55kw, tem uma resistência total no circuito de campo 62,5Ω, uma queda de tensão nas escovas constante e igual a 3v e uma resistência de armadura de 0,025Ω. Calcule: a) Para situa ção de plena carga b) As correntes de carga, campo e armadura c) O rendimento elétrico d) Idem para uma situação de 80% da plena carga

3) Um gerador com excita ção independente tem a característica de magnetização dada pela tabela abaixo. Pede-se: a) A corrente de excitação necessária para gerar 160v na maquina a 1200rpm. b) Para a corrente de excitação do item A, e uma velocidade de 1500rpm, qual a tensão gerada na maquina. c) A corrente de excitação necessária para alimentar uma carga com 2 0A sob tensão de 140V e =1200rpm. velocidade de 1200rpm.Admitir ∆Vesc = 5V e Ra = 0,5Ω. Para N =1200rpm. Eg(v)

16

40

80

120

160

200

240

Iesc(A)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7 0, 7

4) Um gerador paralelo de 500volts, 500volts, 100kw, alimenta alimenta uma carga carga com 80% da da corrente nominal.A s hunt vale 80ohms e resistência do circuito da armadura é de 0,02ohms, a resistência da bobina de campo shunt possui 800 espiras, a corrente de campo shunt é igual a 4A, a queda de tensão nas escovas é constante e igual a 5V. Pede-se: a) A força Magnetomotriz do campo e armadura. b) As correntes de carga, campo e armadura. c) A resistência do reostato de campo d) O rendimento elétrico do gerador.

, possui uma resistência no circuito de armadura a rmadura de 0,05 Ω.A bobina 5) Um gerador série de 200v , 25kw ,possui de campo série produz uma Fmm igual a 500 A.e e possui 5 espiras, a resist ência da bobina vale 0,1 Ω, a queda de tensão nas escovas é constante e igual a 3,75v.Pede -se: a) O valor da resistência de drenagem. b) O rendimento elétrico do gerador. 6) Um gerador shunt de 30kw, 250v, produz uma tens ão na armadura de 265V a fim de desenvolver a saída nominal quando a excitação de campo é 1,5. e scovas) a) A resistência do circuito da armadura. (Desprezar a queda de tensão no contato das escovas) b) Se a bobinas de excita ção tem uma resistência de 90 Ω, qual a potência dissipada pelo reostato de campo.

7) Um Gerador com excitação independente tem uma característica de 125V (sem carga), com uma corrente de campo de 2,1 A, quando gira na velocidade de 1.600 RPM. Supondo que est á operando na porção reta de sua curva de magnetização, calcule: a) A tensão gerada quando a corrente de campo é aumentada para 2,6A. b) A tensão gerada quando a velocidade é reduzida para 1450RPM e a corrente de campo é aumentada para 2,8A. c orrente de campo é reduzida c) A tensão gerada quando a velocidade é aumentada para 1800 RPM e a corrente p/ 1,9A.

8) Com referência a curva de magnetização, explique: a) Por que a curva não começa na origem. b) Sob que circunst âncias ela pode começar na origem. c) Por que esta curva é não linear para valores extremamente baixos de tensão. d) Por que esta curva é não linear para valores extremamente altos de tensão. e) Por que esta curva é linear para valores mod erados de tens ão. f) Por que os valores decrescentes de corrente de ca mpo produzem tensões com valores mais elevados do que os valores crescentes de corrente de campo.

9) Um gerador série C.C., 10KW, 250V, tem queda de tensão nas escovas de 2V, uma resi stência do circuito da armadura de 0,1 Ù e uma resistência de campo série de 0,05 Ù. Quando entrega a corrente nominal, calcule: a) A corrente da armadura. b) A tensão gerada na armadura. c) A potência elétrica gerada na armadura.

10) Um gerador shunt, 30KW, 250V, produz uma tens ão na armadura de 265V a fim de desenvolver a saída nominal quando a excitação de campo é de 1,5A. Calcule: a) A resistência do circuito de campo para produzir a tensão terminal nominal. b) A resistência do circuito da armadura (d esprezar a queda de tensão no contato das escovas). dis sipada pelo reostato de c) Se as bobinas de excita ção tem uma resistência de 90 Ù, qual a potência dissipada campo.