Gerador CC: Características, Excitação Independente e Shunt - Máquinas Elétricas

MÁQUINAS ELÉTRICAS I Erick Costa Bezerra Gerador CC I Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar as características básicas do gerador CC e do circuito equivalente Demonstrar o funcionamento do gerador CC com excitação independente Reconhecer o funcionamento do gerador CC com excitação shunt Introdução Todos os geradores são acionados por uma fonte de potência mecânica usualmente denominada máquina motriz do gerador que pode ser uma turbina a vapor um motor a diesel ou mesmo um motor elétrico Como a velocidade da máquina motriz afeta diretamente a tensão de saída de um gerador é necessário analisar esse impacto em diversos cenários Para isso analisaremos dois sistemas de excitação Neste capítulo você identificará as características básicas e o funcionamento de um gerador sendo utilizado com dois tipos de excitação a independente e a shunt Características básicas do gerador CC e do circuito equivalente A estrutura física da máquina consiste em duas partes estator ou parte estacionária e rotor ou parte rotativa O estator é constituído de uma carcaça que dá suporte físico e de peças polares que se projetam para dentro e propiciam um caminho para o fluxo magnético na máquina As extremidades das peças polares denominadas sapatas polares que estão mais próximas do rotor alargamse sobre a superfície dele para distribuir uniformemente o seu fluxo ali A superfície exposta de uma sapata polar é denominada face polar e a distância entre as faces polares e o rotor é denominada entreferro de ar ou simplesmente entreferro CHAPMAN 2013 O estator de uma máquina CC tem polos salientes e é excitado por uma ou mais bobinas de campo A distribuição do fluxo no entreferro é simétrica em relação à linha central dos polos de campo Esse eixo é chamado de campo ou direto Na Figura 1 a seguir pode ser vistas escovas formando junto com o comutador um retificador mecânico que converte a tensão CA gerada em cada bobina de armadura rotativa em tensão CC UMANS 2014 Figura 1 a Eixos de uma máquina CC b Representação esquemática de uma máquina CC Fonte Umans 2014 p 404 Eixo em quadratura Escovas a b Bobinas de armadura Bobina de campo Armadura Eixo direto Campo As escovas estão posicionadas de modo que a comutação ocorra quando os lados da bobina estão na zona neutra a meio caminho entre os polos de campo O eixo da onda de força magnetomotriz FMM de armadura estará então distanciado 90 graus elétricos do eixo dos polos de campo isto é no eixo em quadratura A Figura 1a mostra as escovas no eixo em quadratura porque essa é a posição das bobinas às quais elas estão conectadas A onda de FMM de armadura estará ao longo do eixo das escovas como está demonstrado A posição geométrica das escovas em uma máquina real é a aproximadamente 90 graus elétricos da posição mostrada no diagrama esquemático devido à forma das conexões de terminação até o comutador conforme visto na Figura 2 a seguir Gerador CC I 2 Figura 2 Sentido das correntes para as duas posições de armadura Fonte Umans 2014 p 412 Eixo magnético da armadura Bobina de campo Eixo magnético do campo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ia 1 7 ia 3 Gerador CC I Desse modo sempre que a tensão na espira muda de sentido os contatos também mudam de segmento e a saída de tensão dos contatos sempre é do mesmo tipo evitando curto circuito e desgastes prematuros das escovas Esse processo de troca de conexões é conhecido como comutação Os segmentos semicirculares rotativos são denominados segmentos comutadores ou anel comutador e os contatos fixos são denominados escovas Considerando que o ângulo entre as forças magnetomotrizes de campo FMMd e armadura FMMa é de 90 graus elétricos temos 𝜏mec KaΦdIa onde 𝜏mec é o conjugado Φd é o fluxo de eixo direto por polo Ia é a corrente de armadura e Ka é uma constante determinada pelo projeto do enrolamento que pode ser calculada como Ka polosCa 2ϖm Os enrolamentos de armadura são classificados de acordo com a sequência de suas conexões com os segmentos do comutador Há duas sequências básicas de conexões dos enrolamentos da armadura enrolamentos imbricados e ondulados Uma característica interessante dos enrolamentos imbricados simples é que há tantos caminhos de corrente em paralelo através da máquina quantos forem os polos dela Já em um enrolamento ondulado simples há apenas dois caminhos de corrente C2 ou metade dos enrolamentos em cada caminho As escovas dessa máquina estão separadas entre si por um passo polar pleno A tensão gerada observada entre as escovas é a soma das tensões retificadas de todas as bobinas em série entre as escovas e mostrada pela linha ondulada ea na Figura 3 a seguir Com uma dúzia ou tanto de lâminas de comutador por polo a ondulação se torna muito pequena e a tensão média gerada observada nas escovas é igual à soma dos valores médios das tensões retificadas de bobina A tensão retificada ea entre as escovas é Ea KaΦdωm Gerador CC I 4 onde ωm é a velocidade angular mecânica da máquina rads O efeito da distribuição do enrolamento em diversas ranhuras é mostrado na Figura 3 em que cada uma das ondas senoidais retificadas é a tensão gerada em uma das bobinas A comutação ocorre no momento em que os lados das bobinas estão na zona neutra UMANS 2014 Figura 3 Tensões nas bobinas e tensão nas escovas Fonte Umans 2014 p 405 Tensão t Tensões retifcadas de bobina Tensão de escovas ea Note que o conjugado induzido também pode ser descrito em relação à potência de saída 𝜏mecωm Pmec EaIa Para saber mais sobre os aspectos construtivos de uma máquina CC consulte Chapman 2013 e Umans 2014 O circuito equivalente de um gerador CC está demonstrado na Figura 4 Ele se assemelha ao circuito equivalente de um motor CC exceto pelo fato de que o sentido da corrente e das perdas nas escovas é invertido Na figura o circuito de armadura é representado por uma fonte de tensão ideal Ea e um resistor Ra Essa representação é na realidade o equivalente Thévenin da estrutura completa do rotor incluindo as bobinas os interpolos e os enrolamentos de compensação se presentes 5 Gerador CC I A queda de tensão nas escovas é representada por uma pequena bateria Vescova que se opõe à corrente que circula na máquina As bobinas de campo que produzem o fluxo magnético do gerador são representadas pelo indutor LF e pelo resistor RF O resistor separado Raj representa um externo variável usado para controlar a corrente que circula no circuito de campo Figura 4 a Circuito equivalente de um gerador CC b Circuito equivalente simplificado queda de tensão nas escovas eliminada Fonte Chapman 2013 p 528 Raj F1 F1 A1 A1 A2 A2 Vescova F2 F2 RF RF RA RA VT IA IA EA EA LF LF VF a b Gerador CC I 6 Existem variações e simplificações desse circuito equivalente básico A queda de tensão nas escovas é frequentemente apenas uma fração mínima da tensão gerada em uma máquina Portanto em casos não muito críticos a queda de tensão nas escovas pode ser desprezada ou incluída de forma aproximada no valor de Ra Algumas vezes a resistência interna das bobinas de campo é combinada com o resistor variável e a resistência total é denominada Rf Figura 4b Uma terceira variação é que alguns geradores têm mais do que uma bobina de campo todas as quais são incluídas no circuito equivalente Gerador CC com excitação independente Os geradores CC são acionados a partir de uma fonte motriz externa Não sendo especificado o contrário assumiremos que essa fonte é constante porque essa suposição simplifica a análise dos geradores e a comparação entre os diferentes tipos Como nos motores existem quatro tipos principais de geradores CC de uso geral 1 de excitação independente 2 em derivação 3 série 4 composto A corrente de campo de um gerador de excitação independente é forne cida por uma fonte de tensão CC externa separada O circuito equivalente dessa máquina está mostrado na Figura 5 a seguir Nesse circuito a tensão VT representa a tensão real medida nos terminais do gerador e a corrente IL representa a que circula nas linhas conectadas aos terminais A tensão gerada interna é EA e a corrente de armadura é IA Está claro que em um gerador de excitação independente a corrente de armadura é igual à de linha 7 Gerador CC I Figura 5 Circuito equivalente de um gerador CC com excitação independente Fonte Chapman 2013 p 529 RF IF VF RA IA IL EA VT LF IL IA VT EA IARA IF VF RF No caso de um gerador CC as grandezas de saída são sua tensão de terminal e a corrente de linha A característica de terminal de um gerador de excitação independente é portanto um gráfico de VT versus IL para uma dada velocidade constante ω Pela lei de Kirchhoff das tensões a tensão de terminal é VT EA IARA Como a tensão gerada interna é independente de IA a característica de terminal do gerador de excitação independente é uma linha reta como mos trado na Figura 6a E se a carga do gerador for aumentada Quando a carga fornecida pelo gerador é aumentada IL que é igual a IA aumenta À medida que a corrente de armadura sobe a queda IARA cresce de modo que a tensão de terminal do gerador caia Essa característica de terminal nem sempre é inteiramente exata Em gera dores sem enrolamentos de compensação um aumento em IA causa elevação da reação de armadura a qual leva a um enfraquecimento de fluxo Isso causa uma diminuição em EA KΦωm o que reduz mais ainda a tensão de terminal do gerador A característica de terminal resultante está mostrada na Figura 6b CHAPMAN 2013 Uma simplificação adotada é que os geradores têm enrolamentos de compensação Entretanto é importante observar que se os Gerador CC I 8 enrolamentos de compensação não estiverem presentes a reação de armadura poderá modificar as características Figura 6 Característica de terminal de um gerador CC de excitação independente a com e b sem enrolamentos de compensação Fonte Chapman 2013 p 530 EA EAn1 IL IL VT VT queda IARA queda IARA queda RA a b A tensão de terminal de um gerador CC de excitação independente pode ser controlada por meio da mudança de 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 Veja a seguir 1 Alterar a velocidade de rotação Se ωm aumentar então EA KΦωmaumentará de modo que VT EAIARA também aumentará 9 Gerador CC I 2 Alterar a corrente de campo Se RF for diminuída então a corrente de campo aumentará Portanto o fluxo Φ da máquina crescerá Quando isso acontece EA KΦωm também deve crescer de modo que VT EAIARA aumenta Em muitas aplicações a faixa de velocidade da máquina motriz é bem limitada de modo que a tensão de terminal é mais comumente controlada pela variação da corrente de campo Um gerador de excitação independente alimentando uma carga resistiva está mostrado a seguir na Figura 7a A Figura 7b mostra o efeito de uma diminuição da resistência de campo sobre a tensão de terminal do gerador quando ele está operando sob carga CHAP MAN 2013 A resistência de campo além de controlálo limita a amplitude da corrente que circula e dependendo do arranjo feito no circuito elétrico da máquina isso implica por exemplo em fios mais finos nos enrolamentos gerador shunt devido à limitação da corrente Figura 7 a Gerador CC de excitação independente com carga resistiva b Efeito da diminuição na resistência de campo sobre a tensão de saída do gerador Fonte Chapman 2013 p 531 VF VT VT VT IL RL IL IL IF LF VT Rcarga RF EA IL RA a b VT IL Gerador CC I 10 Como a tensão interna de um gerador é uma função não linear de sua FMM não é possível calcular de forma simples o valor de EA esperado para uma dada corrente de campo A curva de magnetização do gerador deve ser usada para calcular com exatidão sua tensão de saída para uma dada tensão de entrada Além disso se uma máquina tiver reação de armadura então seu fluxo será reduzido a cada incremento de carga fazendo EA diminuir A única maneira de se determinar com exatidão a tensão de saída em uma máquina com reação de armadura é pelo uso de análise gráfica CHAPMAN 2013 A FMM total de um gerador de excitação independente é a FMM do circuito de campo menos a FMM devido à reação de armadura RA No vídeo disponível no link a seguir você pode assistir ao princípio de funcionamento de uma máquina CC com legendas em português httpsqrgopagelink69HGo 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 a seguir e a sua curva de magnetização está na figura em sequência Essa máquina tem as seguintes características 11 Gerador CC I VF 430 V LF RF RA EA VT IA IL Raj 0300 Ω 20 Ω 005 Ω NF 2000 espiras Fonte Chapman 2013 p 532 RA 005 Ω RF 20 Ω Raj 0 a 300 Ω VF 430 V NF 2000 espiras por polo 500 450 430 410 400 300 200 100 0 00 10 20 30 40 475 52 50 60 70 80 90 100 Corrente de campo A Nota Quando a corrente de campo é zero EA é aproximadamente 3 V Tensão interna gerada EA V Fonte Chapman 2013 p 533 Gerador CC I 12 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 A resistência de campo seria RF Raj 63 20 83 Ω A corrente de campo seria IF VF RF 430 83 52 A Da curva de magnetização da máquina vemos que o total de corrente produziria uma tensão EA0 430 V na velocidade de 1800 rpm Como esse gerador está na realidade girando a ηm 1600 rpm sua tensão interna gerada EA é EA 382 V EA 430 1600 1800 EA EA0 ηm η0 A vazio não existe circulação de corrente na armadura então a tensão de terminal é VT EA IARA VT EA 0 RA VT EA VT 382 V Gerador CC com excitação shunt Um gerador CC em derivação produz sua própria corrente de campo conec tandoo diretamente aos terminais da máquina O circuito equivalente de um gerador CC em derivação está mostrado na Figura 8 a seguir Nesse circuito a corrente de armadura da máquina alimenta ambos o circuito de campo e a carga ligada à máquina CHAPMAN 2013 13 Gerador CC I Figura 8 Circuito equivalente de um gerador CC com excitação shunt Fonte Chapman 2013 p 535 Pela lei de Kirchhoff das tensões a tensão de terminal é VT EA IARA Note que o cálculo da tensão no terminal permanece o mesmo do gerador CC com excitação independente Contudo perceba que agora devido ao novo arranjo do circuito elétrico da máquina a corrente de armadura passa de IA IL para IA IF IL Esse tipo de gerador tem uma vantagem evidente sobre o gerador CC de excitação independente porque não há necessidade de uma fonte de alimen tação externa para o circuito de campo No entanto isso deixa uma questão importante sem resposta se o gerador supre a sua própria corrente de campo de que forma ele obtém o fluxo inicial de campo necessário na partida Gerador CC I 14 Assuma que não há carga ligada ao gerador da Figura 8 e que a máquina motriz começa a colocar em rotação o eixo do gerador A produção inicial de uma tensão em um gerador CC depende da presença de um fluxo residual nos seus polos Inicialmente quando um gerador começa a girar uma tensão interna será induzida sendo dada por EA KΦresωm Essa tensão que surge nos terminais do gerador é uma pequena cerca de um ou dois volts mas suficiente para circular uma corrente na bobina de campo do gerador Essa corrente de campo produz uma FMM nos polos aumentando o fluxo neles O incremento de fluxo causa um aumento em EA KΦωm o que aumenta a tensão de terminal VT Quando VT sobe IF cresce ainda mais aumentando o fluxo Φ e EA Esse comportamento da geração inicial de tensão denominado escorva mento está mostrado na Figura 9 Observe que no final é o efeito da saturação magnética das faces polares que impede o crescimento contínuo da tensão de terminal do gerador Figura 9 Geração da tensão inicial de um gerador CC com excitação shunt Fonte Chapman 2013 p 536 EAe VT V EA res VTvz IFvz IF A RF VT RF Curva de magnetização VT versus IF EA versus IF 15 Gerador CC I A Figura 9 mostra a geração inicial da tensão como se ocorresse em degraus discretos Esses degraus foram desenhados para tornar óbvia a realimentação positiva entre a tensão interna do gerador e sua corrente de campo Em um gerador real a tensão inicial não é produzida em degraus discretos em vez disso EA e IF aumentam simultaneamente até que as condições de regime permanente sejam atingidas Caso na partida nenhuma tensão inicial seja produzida algumas causas possíveis são listadas a seguir CHAPMAN 2013 Pode não haver fluxo magnético residual no gerador Isso impedirá que o processo de escorvamento tenha início Se o fluxo residual for Φres 0 então teremos EA 0 e a tensão nunca começará a ser produzida Se ocorrer esse problema desligue o campo do circuito de armadura e conecteo diretamente a uma fonte CC externa tal como uma bateria O fluxo de corrente dessa fonte CC externa deixará um fluxo residual nos polos possibilitando então uma partida normal Portanto esse procedimento consiste em aplicar diretamente ao campo uma corrente CC durante um breve período de tempo Pode ter ocorrido uma inversão do sentido de rotação do gerador ou havido uma inversão nas ligações do campo Em ambos os casos o fluxo residual ainda gera uma tensão interna EA que produz uma corrente de campo que por sua vez induz um fluxo tal que em vez de somar se opõe ao fluxo residual Nessas circunstâncias o fluxo resultante diminuirá de intensidade ficando na realidade abaixo de Φres sem induzir nenhuma tensão Se esse problema ocorrer ele poderá ser corrigido invertendo o sentido de rotação ou as ligações ou ainda aplicando brevemente ao campo uma corrente CC tal que inverta a polaridade magnética O valor da resistência de campo pode ser ajustado para um valor maior do que o da resistência crítica Para compreender esse problema consulte a Figura 10 Normalmente a tensão inicial do gerador em derivação subirá até o ponto em que a curva de magnetização intersecta a reta da resistência de campo Se essa resistência de campo tiver o valor R2 da figura sua reta será aproximadamente paralela à curva de magnetização Nesse caso a tensão do gerador poderá flutuar amplamente com apenas mínimas alterações de RF ou IA Esse valor de resistência é denominado resistência crítica Se RF exceder a resistência crítica como em R3 na figura a tensão de operação de regime permanente ocorrerá basicamente em nível residual e nunca subirá A solução para esse problema está em reduzir RF Figura 10 O efeito da resistência de campo em derivação sobre a tensão de terminal a vazio em um gerador CC Se RF R2 a resistência crítica nunca haverá produção de tensão no gerador Fonte Chapman 2013 p 537 EA e VT V V0 R3 R2 R1 R0 V1 V2 V3 IF A Como a tensão da curva de magnetização varia em função da velocidade do eixo a resistência crítica também variará com a velocidade Em geral quanto menor for a velocidade do eixo menor será a resistência crítica A característica de terminal de um gerador CC em derivação é diferente de um gerador de excitação independente porque a corrente de campo da máquina depende de sua tensão de terminal Para compreender a característica de terminal de um gerador em derivação comece com a máquina a vazio e adicione carga observando o que acontece À medida que a carga do gerador aumenta IL cresce e portanto IA IF IL também Uma elevação de IA aumenta a queda de tensão IARA na resistência de armadura fazendo VT EA IARA diminuir Esse comportamento é pre cisamente o mesmo observado em um gerador de excitação independente Entretanto quando VT diminui a corrente de campo da máquina diminui junto Isso faz o fluxo da máquina diminuir reduzindo também EA A queda em EA causa uma nova diminuição na tensão de terminal VT EA IARA A característica de terminal resultante está mostrada na Figura 11 Observe que a queda de tensão é mais acentuada do que simplesmente a queda IARA 17 Gerador CC I do gerador de excitação independente Em outras palavras a regulação de tensão desse gerador é pior do que a do mesmo tipo de equipamento em que a excitação é conectada em separado CHAPMAN 2013 Figura 11 Característica de terminal de um gerador CC em derivação Fonte Chapman 2013 p 538 VT IL IARA Efeito do enfraquecimento de campo A tensão de terminal de um gerador CC de excitação shunt pode ser con trolada por meio da mudança de 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 ωm aumentar então EA KΦωmaumentará de modo que VT EA IARA também aumentará 2 Alterar a corrente de campo Se RF for diminuída então a corrente de campo aumentará Portanto o fluxo Φ da máquina crescerá Quando isso acontece EA KΦωm também deve crescer de modo que VT EA IARA aumenta A variação da resistência de campo é o método principal usado para con trolar a tensão de terminal dos geradores em derivação reais Gerador CC I 18 CHAPMAN S J Fundamentos de máquinas elétricas 5 ed Porto Alegre AMGH Book man 2013 700 p UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH Bookman 2014 728 p Leituras recomendadas DEL TORO V Fundamentos de máquinas elétricas Rio de Janeiro Livros Técnicos e Científicos 1994 574 p HAYT JUNIOR W H BUCK J A Eletromagnetismo 8 ed Porto Alegre AMGH Bookman 2013 616 p KOSOW I L Máquinas elétricas e transformadores 15 ed Porto Alegre Globo 2011 667 p 19 Gerador CC I Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS