GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA

Principais Partes Construtivas de Uma Máquina de Corrente Continua

1- Carcaça

2- Sapatas polares

3- Rotor ou Armadura

4- Coletor ou Comutador

5- Escovas

6- Enrolamento da Armadura

7- Bobinas de Campo Shunt

8- Bobinas de Campo Série

9- Interpolos

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 magnético e pode ser feita de aço ou

ferro fundido.

2- Sapatas Polares

São ligadas solidariamente a carcaça e devem ser feitas de material ferro magnético de boa qualidade;

serve para conduzir o fluxo magnético principal na maquina através da armadura.

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 chamadas dentes, (o rotor não 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 são 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 superfície 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 distribuído 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 estão 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:

Maquina Série: Quando utiliza apenas o campo série.

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

campo de quadratura, pois ele tem uma direção aproximada de 90º em relação ao campo principal.

Esse fato provocaria uma alteração na posição da linha neutra da maquina com prejuízo para a

comutação. Esse fato pode ser sensivelmente melhorado com a introdução dos interpolos que são peças

polares localizadas na posição 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 reação da armadura.

CAMPO DE REAÇÃO DA ARMADURA

Distorção resultante do fluxo polar produzido pelo fluxo

da armadura .

Reação da armadura

Colocação dos Interpolos

"LN"LN

LN

N S

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

LEI DE FARADAY E NEUMANN

REGRA DA MÃO DIREITA

GERADOR ELEMENTAR - POLARIDADE DE UM GERADOR ELEMENTAR

O condutor deve ser tratado como uma fonte de FEM.

Se uma carga fosse ligada aos terminais, circulara uma corrente do terminal positivo através da carga ,

até o terminal negativo .

R

F.E.M. senoidal gerada por uma bobina girando em um campo magnético 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.

NS

1'

2'

1

2

+

-

Forma de onda resultante nas escovas para a tensão 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 pólo

N = Velocidade em rpm.

a

ZPK

60!

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 .

" = 6,48 x 108LINHAS

N = 30 RPM.

ctex

xK !!!

6

4

260

240

Eg = 4/6 x 6,48x108x 30 x 10

-8

VEg 6,129!

Exemplo: Um gerador de oito pólos tem um total de 480 condutores distribuídos em 16 caminhos

paralelos.O fluxo por pólo é 1,6 x 107...linhas a velocidade é 1200 rpm. Se as faces polares cobrem

75% da superfície da armadura ,calcule:

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 variação 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 10-8 (V)

4

1

)

2304101200106,11675,0

16460

8480

60

)

576101200106,1475,0

41660

8480

60

!

!!

!!!

!!

!!!

Eb

Ea

C

VxxxxxEg

x

x

a

ZPK

B

VxxxxxEg

x

x

a

ZPK

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 gráfico que fornece o fluxo por pólo 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) .

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-sea saturação pelos dentes da armadura e extremidades das peças polares, a curva de magnetização afasta-se da inclinação inicial caminhando para a saturação . Quando se reduz a corrente de excitação observa-se o fenômeno da histerese, o retorno sendo feito por uma curva ligeiramente deslocada da anterior,conforme mostra a figura; na ausência de corrente de excitação existe, portanto ,um pequeno fluxo remanente ou residual que é de fundamental importância para a existência das máquinas auto-excitadas.

CLASSIFICAÇÃO DOS GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA

A) Independentemente excitados

B) Auto excitados

B1- Gerador Shunt

B2- Gerador Serie

B3- Gerador Composto ou Compoud

CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE

CURVA CARACTERÍSTICA DE MAGNETIZAÇÃO 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:

Eg = KÖ N sendocteN

maquinadacteK

!

!

Eg # Ö

Eo = Tensão residual na maquina

Eo $ Öres que permanece na maquina.

E1 = K Ö1N1 (1)

E2 = K Ö2N2 (2)

p/ Iex1 = Iex2 % Ö1 = Ö2

)2()1(

2

1

2

1

N

N

E

E!

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 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 armadura vale 0,5Ù. Pede-se:

a) Construir a característica de vazio b) A corrente de excitação necessária para fornecer a uma carga 40 A sob tensão de 220 V ,

admitindo-se uma queda de tensão nas escovas constante e igual a 5V, na rotação 1200rpm

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

E(V) 15 57 95 135 167 195 218 237 248 254 256

Iex(A) 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5

A)

B)

C)

Exemplo: Um 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.

&'(

!

!!

cteN

cteKSendo

E varia proporcionalmente ao fluxo, como o Ô varia proporcionalmente a Iex.

2

1

2

1

Iex

Iex

E

E

IexE

!

$

VEE

VEE

B

VE

E

A

04,1518,2

1,228,113

28,11321450

1600

2

125

)

76,1542

6,2

1,2

2

125

)

!%!

!%!

!

!

A existência de maquinas auto excitadas deve-se fundamentalmente a dois fatores:

1) A presença de remanência magnética na maquina. A remanência magnética produz um pequeno fluxo residual, a máquina 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 tensão desenvolvida, a medida que a máquina escorva ,atinja um ponto de equilíbrio .

ESCORVAMENTO

A passagem da tensão induzida na máquina do valor correspondente ao produzido pelo fluxo residual até 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.

A tensão residual induzida na máquina é aplicada a bobina de campo da máquina (máquina shunt). Haverá então passagem de uma pequena corrente de excitação ocorrendo duas possibilidades: essa pequena corrente de excitação produz um campo de indução que reforça o fluxo residual ou que enfraquece o fluxo residual.

No primeiro caso,quando há reforço do fluxo residual a máquina ou gerador escorva ,no segundo caso isso não 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 tensão residual induzida, ou seja, do sentido de rotação do rotor.

Vide as figuras

NÃO ESCORVAPODE ESCORVAR

NÃO ESCORVAPODE ESCORVAR

-

+

N

S

Bex Br

Residual

BrBex

S

N

+

-

-

+

N

S

Bex Br

BrBex

S

N

+

-

Diagrama esquemático

Ra = Resistência da armadura (Rw +Rc + Ri )Ia = Corrente na armadura

Iex = Corrente de campo

IL = Corrente de carga

Va = Tensão nos terminais da armadura Vf = Tensão através do circuito de campo Vl = Tensão através da cargaVesc = Queda de tensão nas escovas

Circuito elétrico equivalente

Introdução Teorica

Quando a excitação é produzida por um enrolamento de campo conecctado através de toda a tensão de linha produzida entre as escovas da armadura, o gerador c.c. é chamado gerador shunt.

O rotor da armadura é representado por uma fonte de F.E.M. (Eg), uma 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 porção do circuito da armadura que gira é vista dentro do retângulo e a porção fixa do circuito da armadura esta fora do retângulo fixada ao estator.

Para simplificação, todas as resistências séries no circuito da armadura estão 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 núcleos polares e um reostato de campo.

Exemplo: Um gerador shunt de 25 kW, 250 v, tem uma resistencia total de campo de 50! e uma resistência de armadura de 0,05!. 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 são: 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

VxRaxIaVaEg

D

AIfIlIa

C

If

VfRtotal

B

AV

PIl

A

34,16157,684075,0110

)

57,68475,282,681

)

4075,2

110

)

82,681110

75000

)

!)!)!

!)!)!

*!!!

!!!

Diagrama Esquemático

Circuito Elétrico Equivalente

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 completando 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 compensação (Rc), localizado sobre os pólos, e oenrolamento interpolar (Ri), estão incluídos em serie com o enrolamento da armadura (Ra), girante que produz uma força eletromotriz (Eg).No circuito equivalente (sob carga) de um gerador série, nota-se quea corrente no enrolamento do campo serie (Is) é controlada por um resistor em paralelo de ajuste (Rd) que providência um ajuste de excitação do campo série, da mesma maneira que o reostato num gerador 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!,e uma resistência do campo série de 0,05!.Quando entrega uma corrente nominal, calcule:

A) A corrente da armadura

B) A tensão gerada na armadura

VEg

xEg

VxVb

RsxIsVb

VVbVlVa

VecsRaxIaVaEg

B

AVl

PIlIa

A

258

2401,0252

24005,0

2522250

)

40250

10000

)

!

))!

!!

!

!)!)!

+))!

!!!!

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 armadura ou corrente de linha e oenrolamento de campo shunt excitado pela tensão da armadura, o gerador é chamado gerador composto.

Diagrama Esquemático

A) Circuito equivalente do gerador composto conexão shunt longa.

B) Circuito equivalente do gerador composto conexão shunt curta.

RESUMO

Diferença entre os dois tipos de conexão:

Shunt-longa" Ia excita o campo sérieShunt-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) ( V )

Os geradores compostos ainda podem ser:

1) Cumulativos

Quando a Fmm do campo série (Fmm=NsIs) auxilia a Fmm do campo shunt.

2) Diferenciais

Quando a Fmm do campo série se opõe a Fmm do campo shunt.

Características do Gerador Composto Cumulativo

Os geradores compostos cumulativos podem ser:

1) Hiper-Compound (Hiper composto)

2) Flat-Compound (Composto normal)

3) Hipo-Compund (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 resistência da armadura de 0,03!, uma resistência total do campo shunt de 125! ,resistência do campo série de 0,01!. A resistência de ajuste suporta 54. Calcule:A) O valor da resistência de ajuste para carga nominalB) A tensão gerada a plena carga.

VxxEg

RsxIsRaxIaVlRaxIaVaEg

b

Rd

x

Id

IsxRsRdIsxRsIdxRdRdRs

AIdIaIs

AIexIlIa

ARt

VfIex

AVl

PIl

a

50701,015020403,0500

)

0278,0

54

01,0150//

15054204

2044200

4125

500

200500

100000

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Exercícios

1) Os dados obtidos no ensaio de um gerador de 25kw, 120v, com excitação independente e girando a 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 excitação tem uma resistência de 33!, 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!, qual é a corrente de excitação se a voltagem de excitação é 120v,e qual é a voltagem gerada quando a velocidade for700rpm e 1100rpm.

2) Um gerador shunt de 250v, 55kw, tem uma resistência total no circuito de campo de62,5!, uma queda de tensão nas escovas constante e igual a 3v e uma resistência de armadura de0,025!. Calcule: a) Para situação de plena carga b) As correntes de carga, campo e armadura

c) O rendimento elétricod) Idem para uma situação de 80% da plena carga

3) Um gerador com excitação 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 20A sob tensão de 140V e velocidade de 1200rpm.Admitir #Vesc = 5V e Ra = 0,5!. 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

4) Um gerador paralelo de 500volts, 100kw, alimenta uma carga com 80% da corrente nominal.A

resistência do circuito da armadura é de 0,02ohms, a resistência da bobina de campo shunt vale 80ohms e 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 campod) O rendimento elétrico do gerador.

5) Um gerador série de 200v , 25kw ,possui uma resistência no circuito de armadura de 0,05!.A bobina de campo série produz uma Fmm igual a 500 A.e e possui 5 espiras, 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 tensão na armadura de 265V a fim de desenvolver a saída nominal quando a excitação de campo é 1,5. a) A resistência do circuito da armadura. (Desprezar a queda de tensão no contato das escovas) b) Se a bobinas de excitação tem uma resistência de 90!, 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 está 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) A tensão gerada quando a velocidade é aumentada para 1800 RPM e a corrente de campo é reduzida p/ 1,9A.

8) Com referência a curva de magnetização, explique:a) Por que a curva não começa na origem.b) Sob que circunstâncias 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 moderados de tensão.f) Por que os valores decrescentes de corrente de campo 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 resistência do circuito da armadura de 0,1Ù 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.

12) Um gerador shunt, 30KW, 250V, produz uma tensão 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 (desprezar a queda de tensão no contato das escovas).c) Se as bobinas de excitação tem uma resistência de 90 Ù, qual a potência dissipada pelo reostato de campo.