Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Máquinas de Corrente Contínua Geradores CC Prof Marcel Parentoni ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Tópicos Tipos de Geradores Gerador de excitação independente Gerador em derivação shunt Gerador série Gerador composto compound Comparativos Tipos de Geradores CC 811 INTRODUÇÃO AOS GERADORES CC Os geradores CC são máquinas CC usadas como geradores Como foi observado anteriormente não há nenhuma diferença real entre um gerador e um motor exceto pelo sentido do fluxo de potência Há cinco tipos principais de geradores CC classificados de acordo com o modo de produção do fluxo de campo 1 Gerador de excitação independente No gerador de excitação independente o fluxo de campo é obtido de uma fonte de potência separada do próprio gerador 2 Gerador em derivação No gerador em derivação o fluxo de campo é obtido pela ligação do circuito de campo diretamente aos terminais do gerador 3 Gerador série No gerador série o fluxo de campo é obtido ligando o circuito de campo em série com a armadura do gerador 4 Gerador composto cumulativo No gerador composto cumulativo estão presentes ambos os campos em derivação e em série e seus efeitos são aditivos 5 Gerador composto diferencial No gerador composto diferencial estão presentes ambos os campos em derivação e em série mas seus efeitos são subtrativos Os diversos tipos de geradores CC diferem entre si nas características de terminal tensão versus corrente e portanto nas aplicações às quais são adequados FIGURA 841 O primeiro gerador CC de uso prático Essa é uma duplicata fiel do primeiro gerador comercial denominado Mary Ann de pernas longas de Thomas Edison Ele foi construído em 1879 e suas especificações nominais eram 5 kW 100 V e 1200 rpm Cortesia de General Electric Company Circuito Elétrico Equivalente Geral Gerador de excitação independente Circuito Elétrico Equivalente Características Terminais A tensão de terminal de um gerador CC de excitação independente pode ser controlada mudando a tensão interna gerada EA da máquina Pela lei de Kirchhoff das tensões temos VT EA IARA Assim se EA aumentar então VT aumentará e se EA diminuir VT diminuirá Como a tensão interna gerada EA é dada pela equação EA Kφωm há dois modos possíveis de controlar a tensão desse gerador 1 Alterar a velocidade de rotação Se ω aumentar então EA Kφωm aumentará de modo que VT EA IARA também aumentará 2 Alterar a corrente de campo Se RF for diminuída então a corrente de campo aumentará IF VFRF Portanto o fluxo φ da máquina cresce Quando isso acontece EA Kφωm também deve crescer de modo que VT EA IARA aumenta EXEMPLO 89 Um gerador CC de excitação independente tem especificações nominais de 172 kW 430 V 400 A e 1800 rpm O gerador está mostrado na Figura 847 e a sua curva de magnetização está na Figura 848 Essa máquina tem as segmentos características RA 005 Ω VF 430 V RF 20 Ω NF 1000 espiras por pólo Raj 0 a 300 Ω a Se o resistor ajustável Raj do circuito de campo desse gerador for ajustado para 63 Ω e a máquina motriz estiver acionando o gerador a 1600 rpm qual será a tensão de terminal a vazio do gerador b Qual seria sua tensão se uma carga de 360 A fosse conectada aos seus terminais Assuma que o gerador tem enrolamentos de compensação EXEMPLO 89 Um gerador CC de excitação independente tem especificações nominais de 172 kW 430 V 400 A e 1800 rpm O gerador está mostrado na Figura 847 e a sua curva de magnetização está na Figura 848 Essa máquina tem as segmentos características RA 005 Ω VF 430 V RF 20 Ω NF 1000 espiras por pólo Raj 0 a 300 Ω a Se o resistor ajustável Raj do circuito de campo desse gerador for ajustado para 63 Ω e a máquina motriz estiver acionando o gerador a 1600 rpm qual será a tensão de terminal a vazio do gerador b Qual seria sua tensão se uma carga de 360 A fosse conectada aos seus terminais Assuma que o gerador tem enrolamentos de compensação RF Raj 83 Ω IF VFRF 430 V83 Ω 52 A EA 1600 rpm1800 rpm 430 V 382 V VT 382 V EXEMPLO 89 Um gerador CC de excitação independente tem especificações nominais de 172 kW 430 V 400 A e 1800 rpm O gerador está mostrado na Figura 847 e a sua curva de magnetização está na Figura 848 Essa máquina tem as segmentos características RA 005 Ω VF 430 V RF 20 Ω NF 1000 espiras por pólo Raj 0 a 300 Ω a Se o resistor ajustável Raj do circuito de campo desse gerador for ajustado para 63 Ω e a máquina motriz estiver acionando o gerador a 1600 rpm qual será a tensão de terminal a vazio do gerador b Qual seria sua tensão se uma carga de 360 A fosse conectada aos seus terminais Assuma que o gerador tem enrolamentos de compensação a RF Raj 83 Ω IF VF RF 430 V 83 Ω 52 A EA 1600 rpm 1800 rpm 430 V 382 V VT 382 V b VT EA IARA 382 V 360 A005 Ω VT 364 V Gerador em derivação shunt Circuito Elétrico Equivalente FIGURA 852 A característica de terminal de um gerador CC em derivação FIGURA 853 Análise gráfica de um gerador CC em derivação com enrolamentos de compensação FIGURA 854 Obtenção gráfica da característica de terminal de um gerador CC em derivação Controle da Tensão Terminal Como no gerador de excitação independente há dois modos para controlar a tensão de um gerador CC em derivação 1 Alterar a velocidade do eixo ωm do gerador 2 Alterar a resistência de campo do gerador variando assim a corrente de campo A variação da resistência de campo é o método principal usado para controlar a tensão de terminal dos geradores em derivação reais Se resistência de campo RF for diminuída então a corrente de campo IF VTRF subirá Quando IF aumenta o fluxo da máquina φ também sobe fazendo a tensão interna gerada EA aumentar O incremento em EA faz com que a tensão de terminal do gerador também aumente Gerador série Circuito Elétrico Equivalente IA IS IL VT EA IARA RS EA e VT V Gerador composto compoud IA IL IF VT EA IARA RS IF fracVTRF Características Terminais FIGURA 861 Característica de terminal de geradores CC compostos cumulativos Características Terminais Suponha que a carga do gerador seja aumentada Então à medida que a carga sobe a corrente de carga IL sobe Como IA IF IL a corrente de armadura também aumenta Nesse ponto ocorrem dois efeitos no gerador 1 Quando IA aumenta a queda de tensão IARA RS também aumenta Isso tende a causar uma diminuição na tensão de terminal VT EA IARA RS 2 Quando IA aumenta a força magnetomotriz do campo em série FSE NSE IA também aumenta Isso incrementa a força magnetomotriz total Ftot NF IF NSE IA o que incrementa o fluxo no gerador Esse fluxo aumentado no gerador faz EA subir o que por sua vez tende a elevar VT EA IARA RS Esses dois efeitos opõemse entre si com um tendendo a elevar VT e o outro tendendo a baixar VT Qual efeito será predominante em uma dada máquina Tudo dependerá de quantas espiras em série forem colocadas nos polos da máquina A questão pode ser respondida com os seguintes pontos individuais 1 Poucas espiras em série NSE pequeno Se houver apenas poucas espiras o efeito da queda de tensão resistiva facilmente prevalece A tensão exata em um gerador em derivação mas não acentuadamente Figura 861 Esse tipo de configuração em que a tensão de terminal a plena carga é elevada é chamada de normal 2 Mais espiras em série NSE maior Quando há algumas espiras a mais nos polos inicialmente o efeito do reforço de fluxo prevalece e a tensão de terminal aumenta com a carga Entretanto à medida que a carga continua aumentando tem início a saturação magnética e a queda de tensão resistiva supera o efeito do aumento de fluxo Nessa máquina inicialmente a tensão de terminal sobe e em seguida cai à medida que a carga aumenta Se VT a vazio for igual a VT a plena carga então o gerador será denominado normal 3 Ainda mais espiras em série NSE grande Se ainda mais fluxos em série forem acrescentadas ao gerador então o efeito do reforço de fluxo será ainda mais destacado em uma faixa maior ainda antes que a queda de tensão resistiva passe a predominar O resultado é uma característica na qual a tensão de terminal a plena carga é mais elevada na realidade do que a tensão a vazio Se a tensão VT de plena carga exceder VT a vazio então o gerador será denominado hipercomposto Gerador CC Composto com Resistor de Drenagem Controle da Tensão Terminal As técnicas disponíveis para o controle da tensão de terminal de um gerador CC composto cumulativo são exatamente as mesmas técnicas usadas para o controle da tensão de um gerador CC em derivação 1 Variar a velocidade de rotação Um incremento em ω faz EA Kφωm aumentar o que eleva a tensão de terminal VT EA IARA RS 2 Variar a corrente de campo Uma diminuição em Rf faz IF VTRF aumentar o que eleva a força magnetomotriz total do gerador Quando Ftot sobe o fluxo φ da máquina aumenta o que eleva EA Kφωm Finalmente um aumento em EA faz VT subir Características Terminais Comparativos Circuitos Elétricos Equivalentes Características Terminais Referências CHAPMAN Stephen J Fundamentos de máquinas elétricas AMGH Editora 2013 33