3o experimento - máquinas elétricas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA ELETRICA

LABORATRIO DE MQUINAS ELTRICAS

CARACTERSTICA DE CARGA DO GERADOR CC SHUNT

AMAURY MAGALHES COLARES MRIO ROBERTO P. DE SOUSA RAPHAEL RODRIGUES COSTA

MANAUS 2011

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA ELETRICAAMAURY MAGALHES COLARES MRIO ROBERTO P. DE SOUSA RAPHAEL RODRIGUES COSTA

LABORATRIO DE MQUINAS ELTRICAS

CARACTERSTICA DE CARGA DO GERADOR CC SHUNT

Relatrio referente disciplina de Laboratrio de Mquinas Eltricas, do sexto perodo de Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Amazonas, como requisito para obteno de nota da disciplina.

Orientador: Professor Dr. Rubem Csar Rodrigues Souza

MANAUS 2011

SumrioAPRESENTAO. ................................................................................................................................ 1 INTRODUO ...................................................................................................................................... 2 FUNDAMENTAO TERICA. ......................................................................................................... 3 GERADOR AUTO-EXCITADO SHUNT ......................................................................................... 3 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR SHUNT ...................................................... 3 FATORES QUE IMPEDEM A AUTO-EXCITAO ...................................................................... 6 CARACTERSTICA DE CARGA DO GERADOR SHUNT ............................................................ 7 MTODOS E TCNICAS.................................................................................................................... 10 MATERIAL UTILIZADO ................................................................................................................ 10 PROCEDIMENTOS ......................................................................................................................... 11 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS. ................................................................................................. 17

APRESENTAO.Este relatrio destina-se a verificar o funcionamento da mquina CC a vazio, tal mquina neste momento opera em modo gerador CC, portando ela precisa de um acionamento mecnico, a partir do qual ela produzir energia eltrica. Neste caso o motor de induo opera como mquina primria de energia mecnica, acionando o eixo do gerador CC. Pelas caractersticas de fabricao do motor de induo, o gerador CC ir operar com velocidade constante. Alm disso, se dar nfase na corrente de campo e a tenso de armadura . Tem-se

por objetivo verificar e discutir o comportamento da curva caracterstica da tenso de armadura em funo da corrente de campo .

Ao final, trataremos de explicar o porqu do tal comportamento da curva e discutir sua mudana de comportamento medida que varia.

1

INTRODUO

A caracterstica externa de um gerador representada por um grfico da tenso nos terminais da mquina em funo corrente de carga , para uma velocidade constante. Um

gerador que est equipado com um enrolamento de armadura e um nico enrolamento de campo pode ser operado tanto no modo de excitao independente como no modo de excitao em derivao. O objetivo de todo gerador de manter a tenso de alimentao da carga de acordo com o aumento da corrente da carga, que representa um aumento da carga. Porm, isso nem sempre possvel. Com isso, tem-se a diminuio da tenso de armadura e um aumento da corrente de carga

.

2

FUNDAMENTAO TERICA. GERADOR AUTO-EXCITADO SHUNTNo gerador com excitao independente visto no experimento anterior, o enrolamento de campo foi excitado independentemente da tenso de armadura. Assim, a corrente que circula pelo enrolamento de campo, , era independente da tenso de gerada na sada da

mquina, denominada , quando ela est a vazio Neste experimento, porm, o circuito de campo que constituto pelo enrolamento de campo e um reostato de campo ligado em

paralelo com o circuito de armadura, como se v na figura 1. Sendo assim, a corrente de campo, , que antes no era dependente da tenso de armadura passa agora a ser depender

dela.Sendo assim, a corrente de excitao depender da relao entre a tenso de armadura e a resistncia de campo shunt. Com isso, podemos notar que a corrente de campo dada em funo de duas variveis. A primeira denominada tenso de armadura. Esta varia de acordo com a fora magnetomotriz do entreferro e a segunda a resistncia de campo, que varia conforme a posio estabelecida pelo reostato que est em srie com .

Figura 1. Representao do gerador CC auto-excitado shunt.

Fonte: Mquinas eltricas e transformadores, KOSOW, 1919, p 82.

PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR SHUNTPara entender como o processo de auto-excitao acontece, precisa-se primeiramente comear com a curva de magnetizao da mquina mostrada na figura 2. A curva de magnetizao representa

3

um grfico da tenso de armadura a vazio em funo da corrente de excitao ou rigorosamente falando o fluxo do entreferro em funo da foramagnetomotriz do enrolamento de campo.

Figura 2. Escorvamento de um gerador shunt auto-excitado.

Fonte: Mquinas eltricas e transformadores, KOSOW, 1919, p 83.

A figura 2 representa uma curva tpica de magnetizao da mquina, para uma velocidade de rotao constante. de extrema importncia notar neste grfico que mesmo para uma corrente de excitao nula a tenso de armadura diferente de zero. Essa tenso dada devido as caractersticas do material que ferromagntico. A tenso d-se o nome de tenso residual. Essa tenso existe devido a uma prvia excitao do material ferromagntico.

4

Segundo Del Toro, a reta

definida como:

A reta que aparece no mesmo par de eixos a reta de resistncia de campo. um grfico da corrente gerada pela tenso aplicada associao srie do enrolamento de campo e da parte ativa do reostato de campo. Evidentemente, ento a declividade da reta igual a soma da resistncia do enrolamento de campo, , e da resistncia ativa do reotato, .( DEL TORO, 1990, p 271).

A maniera pela qual a mquina realiza seu processo de auto-excitao pode ser compreendia atravs dos seguintes passos . 1. Primeiramente, tem-se a mquina em repouso, ou seja, a mquina primria tem velocidade zero e apesar do magnetismo residual a fem gerada nos terminais zero pois no fatores suficientes para que a lei de Faraday seja aplicada 2. medida que a velocidade do eixo do rotor aumenta devido a mquina primria e esta se aproxima da velocidade de rotao nominal, a tenso devido ao magnetismo residual caracterstico do material ferromagntico aumenta devido a lei de Faraday que pode ser representada atravs da equao 1.

Onde: constante caracterstica da forma construtiva da mquina tenso de armadura a vazio velocidade do eixo do rotor advinda da mquina primria 3. Quando o rotor da mquina atinge seu valor nominal de velocidade, a tenso na armadura devido ao magnetismo residual pequeno. Porm, esta tenso tambm est aplicada ao circuito de campo cuja a resistncia circula uma corrente no circuito de campo, , que tambm pequena . Assim,

4. Quando a corrente circula pelo enrolamento de campo do gerador, esta produz uma induo magntica devido a lei de Bio-Savart e um fluxo nos5

enrolamentos de armadura. Este fluxo ento soma-se ao fluxo produzido pelo magnetismo remanescente gerando assim um fem induzida na armadura devido a lei de Faraday 5. A tenso de corrente agora aplicada ao circuito de campo, provocando uma circulao de valor maior. Com isso, uma nova parcela de induo de valor maior

magntica gerada e um fluxo consequente adicionado ao fluxo anterior gerando uma nova fem de valor maior

6. Este processo ento continua at o ponto em que a reta da resistncia de campo corta a curva de magnetizao mostrada na figura 2. Neste ponto o processo cessa. A tenso induzida produzida quando aplicada no circuito de campo, produz apenas a corrente de campo suficiente para sustentar a fem. Isto ocorre devido a saturao do material ferromagntico do campo que no produz uma induo maior para um aumento da corrente de excitao.

FATORES QUE IMPEDEM A AUTO-EXCITAOExistem quatro fatores eltricos para que no ocorra a auto-excitao de um gerador shunt a vazio 1. Ausncia de (ou pequeno) magnetismo residual. Como o processo de escorvao necessita de um magnetismo residual para o seu incio, claro que um valor extremamente pequeno ou a completa ausncia do magnetismo residual impedir o processo. O magnetismo residual pode ser pedido como resultado de condies que tendam a desmagnetizar os campos como longo perodo sem utilizao da mquina e outros. Essa ausncia de magnetismo residual pode ser resolvida com a aplicao de uma tenso contnua nos enrolamentos de campo.6

2. Conexes invertidas entre o circuito de campo e o circuito de armadura. Supondo que a mquina CC possua um magnetismo remanescente, a aplicao de uma corrente no enrolamento de campo invertido produzir um fluxo no sentido contrrio ao do fluxo produzido pelo magnetismo remanescente. Com isso, o fluxo total ser cada vez menor. Com isso a mquina no ir produzir uma foraeletromotriz pois no se tem variao de fluxo magntico em funo do tempo (Lei de Faraday) pois o fluxo nulo. 3. Resistncia do circuito de campo maior que a resistncia crtica Uma conexo aberta nos enrolamentos do circuito de campo, reostato, ou conexes resultar numa resistncia maior que a crtica. Isto evitar a auto-excitao, pois no h como a curva de magnetizao da mquina cruzar com a reta de resistncia de campo. 4. Alta resistncia no circuito de armadura A alta resistncia no circuito de armadura pode ser representada como uma conexo aberta. Este fator pode acontecer devido a um comutador sujo, uma escova frouxa. Todos estes fatores atuaro como uma alta resistncia de armadura, realizando assim uma diminuio da corrente de campo podendo produzir uma tenso advinda da corrente de excitao menor que a do magnetismo residual

CARACTERSTICA DE CARGA DO GERADOR SHUNTComo previamente descrito na introduo. O efeito do aumento da carga em paralelo, resultar num aumento da corrente de armadura e reduzir a tenso da armadura e a tenso gerada. A partir desta anlise pode-se descrever trs razes para a queda destas tenses: 1. Uma queda interna da tenso de armadura7

Esta queda de tenso produzida pelo enrolamento de armadura e conhecida como:

Atravs da Lei de Kirchoff podemos ter ento que a tenso de armadura dada em funo de:

A partir disso, podemos observar que o aumento da corrente de armadura advinda do aumento de carga far com que a parcela 2. Reao da armadura A circulao de uma corrente pelo enrolamento de armadura produzir devido a lei de Bio-Savart uma induo ao redor dos condutores do enrolamento. Esta induo quando posta na forma de fluxo tem sentido contrrio ao fluxo produzido pelo enrolamento de excitao da mquina. Visto dessa forma, tem-se que o fluxo resultante ter um valor menor que o inicial e uma consequente reduo da foraeletromotriz observada pela equao (1) e uma tenso cada vez menor observada pela equao (3) 3. Diminuio da corrente no circuito de campo A diminuio da tenso de armadura, produzir pelo fato de estar em paralelo com o circuito de campo, uma tenso menor aplicada ao enrolamento de campo. Dessa forma, a tenso menor aplicada produzir tambm uma corrente de excitao menor considerando a resistncia de campo fixa. A produo de uma corrente de excitao menor resultar no decrscimo do fluxo do entreferro e consequentes diminuies na8

e a tenso entregue a carga diminua.

foraeletromotriz (E) e na tenso de armadura

. Deve-se ter como nota que se o

enrolamento de campo no estiver no estgio de saturao, esta diminuio se dar de maneira mais brusca. O efeito de cada um desses fatores visto na figura , que mostra a caracterstica de carga do gerador auto-excitado shunt . Para o circuito da figura 1, as leituras de tenso nos terminais da armadura (e carga), esto representadas como funo de corrente de carga ou que vem

do ingls load de carga. No instante, em que a mquina est trabalhando a vazio a tenso de sada a prpria foraeletromotriz . Porm, quando coloca-se carga para ser alimentada

pelo gerador todos os efeitos vistos anteriormente como a queda de tenso no enrolamento da armadura , o efeito de reao da armadura e o decrscimo na corrente de campo so

vistos com o aumento crescente da carga.

Figura 3. Caracterstica de carga de um gerador auto-excitado shunt.

Fonte: Mquinas eltricas e transformadores, KOSOW, 1919, p 87.

9

Figura 4. Representao do acrscimo de carga ao gerador auto-excitado shunt.

Fonte: Mquinas eltricas e transformadores, KOSOW, 1919, p 87.

Na figura 3 que representa a caracterstica externa da mquina, a reao da armadura e a queda de tenso no enrolamento da armadura so vistas como linhas descontnuas, representando teoricamente decrscimos lineares de tenso diretamente proporcionais ao aumento de corrente de carga. A queda relacionada a diminuio da corrente do circuito de campo uma linha curva, pois depende do grau de saturao do material ferromagntico no campo para aquele respectivo valor de carga

MTODOS E TCNICASMATERIAL UTILIZADO 1. Uma mquina de corrente contnua, mquina 2. Cabos conectores; 3. Um tacmetro; 4. Motor assncrono de induo, modelo ET. 424.6; 5. Um banco de carga (18 resistncia de 200 ohm), um reostato ajustado de 300 ohm e um reostato de 100 ohm; 6. Um varivolt 15895;

10

PROCEDIMENTOS 1. Fazer as ligaes da mquina de corrente contnua conforme a figura 5; 2. Ligar o motor de induo 3. Aplicar energia no campo da mquina de corrente contnua e ajustar o reostato de campo para obter o valor nominal de tenso de sada 4. Carregar gradualmente o gerador por meio da unidade de carga em 28 valores crescente at o valor mximo, sem retocar o ajuste do reostato de campo. Registrar em cada passo: tenso de armadura e corrente de carga Os valores anotados de tenso de armadura e corrente de carga para uma velocidade quase constante esto dispostos abaixo:RPM 1800 1800 1800 1797 1797 1797 1797 1796 1796 1796 I 3,33 3,65 3,93 4,2 4,45 4,69 4,94 5,08 5,29 5,47 RPM 1796 1798 1796 1796 1796 1796 1796 1794 1796 1796 RPM 1796 1796 1796 1796 1796 1796 1796 1796 1796

92,1 89 86,9 84,5 82,8 80,6 78,8 77,4 75,7 74,3

0 0,44 0,86 1,26 1,64 2,01 2,36 2,7 3,03 3,33

74,3 73,1 71,6 69,9 68,5 67 65,33 63,54 62,26 60,7

59,33 59,16 58,44 57,48 54,95 52,16 48,8 46,32 39,9

5,63 5,72 5,82 5,88 6,15 6,33 6,46 6,58 6,68

5. Calcular a regulao de tenso pela expresso

Falta

11

6. Desenhar a curva de tenso da armadura (eixo Y) em funo da corrente de carga (eixo X). Alm dos comentrios que considerar necessrio, explique: 1) O comportamento da curva obtida100 90 Tneso de armadura 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 Corrente de carga 6 8 V x Icg

Primeiramente, quando se ps a mquina para funcionar a vazio ocorreu a auto-excitao normalmente da mquina, com a insero de carga na sada da armadura comeou a se evidentemente a diminuio da tenso e o aumento da corrente de carga. Porm, esse processo no simplesmente se baseia na diminuio de um fator e no aumento do outro. Durante a retirada desses valores dos equipamentos medidores notou-se a primeiro instante um aumento da corrente e uma diminuio da tenso de armadura. Logo aps isso, a tenso continuou12

diminuindo e a corrente aumentando. Com certeza, isso deve-se ao fator inicial de diminuio de tenso na armadura que proporcionou uma tenso menor no enrolamento de campo pelo fato de estarem em paralelo. Com essa tenso menor no enrolamento de campo foi produzida uma corrente de excitao inferior a primeira, que contribuiu com uma foraeletromotriz tambm inferior a antecedente e com isso uma tenso de armadura menor segundo a lei de Kirchoff para a tenso de armadura da mquina. Notou-se que esse processo ocorria at que a velocidade de rotao da mquina volta-se a seu valor nominal de 1800 rpm. Conclui-se com isso que para cada aumento de carga a mquina tentava buscar nas suas fontes disponveis energia necessria para alimentar essa carga. Como a corrente de excitao no podia ser aumentada, pois no havia como diminuir a resistncia de campo e com isso aumentar a circulao de corrente e produo de maior fem , a mquina procurou ento essa energia na fonte de primria de rotao da mquina. Notou-se que a velocidade de rotao da mquina diminuiu e depois de um certo tempo voltou a seu valor inicial. Isso nos mostra a tentativa da mquina de transferir energia de rotao para a alimentao da carga. Esse processo se notou durante toda a retirada de dados. 2) O que a caractersticad e regulao de um gerador CC e como voc considera a regulao obtida para a mquina ensaiada. Regulao de tenso definida como a variao da tenso na armadura da mquina desde a vazio, ou seja, sem carga para alimentao at o valor de carga plena. Se h pouca variao, desde a vazio at plena carga, diz-se que o gerador ou a fonte de suprimento de tenso possui boa regulao de tenso. Se a tenso varia consideravelmente com a carga, considerado como tendo um pobre valor de regulao 3) O que acontecer com a curva obtida caso a velocidade seja o dobro da velocidade utilizada no ensaio?

13

A discusso anteriormente foi feita baseando-se na velocidade constante da mquina primria durante a aplicao da carga. Porm, o aumento da corrente de armadura faz com que o torque eletromagntico (desenvolvido no condutor da armadura) se oponha a rotao. Esta oposio faz com que a velocidade da mquina primria diminua com a aplicao da carga. Vamos verificar ento como a velocidade de rotao influenciar na tenso de armadura. A equao da foraeletromotriz representada pela Lei de Faraday estabelece que a tenso gerada de qualquer gerador proporcional ao fluxo produzido pela corrente de excitao e a velocidade da mquina primria. Para um dado fluxo mtuo constante no entreferro, um aumento da velocidade de rotao imprimida pela mquina primria produzir um aumento de tenso. Por outro lado, no temos como manter um controle fixo do fluxo no entreferro pois quanto maior a tenso de armadura gerada maior ser a corrente de excitao (exceto usando um campo magntico permanetne, em cujo caso a foraeletromotriz produzida ser dada em funo da velocidade de rotao.). Isto pode ser obtido quando mantermos a corrente de campo constante. O efeito da corrente de excitao quando mantida fixa mostrada na figura 5 para os dois valores diferentes de velocidade, excitao, e . Para a mesma corrente de

a velocidade mais elevada produzir menos saturao, pois a inclinao no

ponto 2 mais vertical que a inclinao no pon to 1. Mas quanto menos saturado for um dado gerador-shunt, mais rapidamente ele ser desexcitado. Assim podemos esperar uma mquina com velocidade de rotaoo mais elevada tenha uma desexcitao mais rpida e tenha uma caractersticam ais mergulhante que uma mquina de velocidade menor. O efeito verificado e mesmo mais pronunciado na figura 5, onde, ao invs de manter a corrente de campo num valor constante ela varia. Na velocidade mais baixa, campo , ns necessitamos uma corrente de ,

maior para produzir a etnso nominal do que para a velocidade mais elevada, . Assim, na velocidade mais baixa, ns estamos

que requer uma corrente de campo

trabalhando na poro mais saturada (ponto 3) da curva de magnetizao, ao passo, que para a14

velocidade mais elevada, ns estamos operando na poro menos saturada (ponto 2) da curva de magnetizao. Na velocidade nominal, portanto, como se mostra na figura 5, a velocidade mais baixa produzir a caracterstica tenso- carga mais satisfatria. Portanto, se a velocidade da mquina primria decresce, tende-se a melhorar a regulao de tenso do gerador-shunt. Se, alm disto, devido queda na velocidade e a reduo da tenso terminal, ns restauramos a tenso no seu valor original, pelo incremento da corrente de campo, a regulao de tenso melhorada ainda mais, como resultado do acrscimo de saturao do campo

Figura 5. Efeito da velocidade sobre a saturao e a tenso de um gerador shunt

Fonte: Mquinas eltricas e transformadores, KOSOW, 1919, p 90.

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Figura 5. Ligao para levantamento da caracterstica externa de um gerador shunt auto-excitado CC.

Fonte: Roteiro do experimento proposto.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.Livros BARBALHO, Clia Regina Simonetti; MORAES, Suely Oliveira. Guia para normalizao de Teses e Dissertaes. edio. Manaus: UFAM, 2005; 65 pg. CERVO, Amado Luiz; BERVIAN, Pedro Alcino. Metodologia Cientfica. So Paulo: Pearson Hall, 2002; 242 pg. FURAST, Pedro Augusto. Normas tcnicas para o trabalho cientfico. Porto Alegre: s/n. 2005. 185 pg. edio. edio.

KOSOW, Irving Lionel. Mquinas eltricas e transformadores. Traduo de: Felipe Lus Daielho e Percy Antnio Soares. edio. Editora Globo: Porto Alegre, 1982; 667 pg. DEL TORO, Vincent. Fundamentos de mquinas eltricas. Traduo de: Onofre de Andrade Martins. edio.Editora LTC: Rio de Janeiro: Travessora do Ouvidor, 11. 1990; 539 pg.

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