Gerador de Corrente Contínua e Corrente

Alternada

Aluno: Erik Leandro Dalieci n° 06

Cosmópolis

Junho 2012

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ÍNDICE

I – Índice de figuras......................................................................................................2

1 – Introdução...............................................................................................................3

2 – Histórico..................................................................................................................3

3 – Elementos de um gerador de corrente contínua....................................................5

3.1- Rotor......................................................................................................................6

3.1.1- Partes do Rotor....................................................................................................6

3.2- Anel Comutador......................................................................................................7

3.3- Estator....................................................................................................................7

3.4- Escovas..................................................................................................................8

4 – Circuito Magnético..................................................................................................8

5 - Princípio de funcionamento de um gerador cc......................................................10

6 – Excitações do campo magnético..........................................................................13

7 – Circuito equivalente do Gerador CC ....................................................................14

8 – Equações da tensão no gerador e regulação de tensão ....................................15

9 – Perdas e eficiências de um Gerador CC..............................................................16

10- Princípios de funcionamento do Gerador AC......................................................17

11- Parâmetros da forma de onda da tensão e da AC senoidal................................19

11.1- valor de pico......................................................................................................20

11.2- período..............................................................................................................20

11.3- frequência.........................................................................................................20

11.4- valor médio........................................................................................................20

12- Geradores de Corrente Alternada CA (AC).........................................................23

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1- Introdução

Gerador de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica ou energia elétrica em mecânica (motor). A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada, porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que, são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrônicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicação estão substituindo os motores de corrente contínua na maior parte das aplicações. O termo "gerador elétrico" se reserva apenas para as máquinas que convertem a energia mecânica em elétrica. Conforme as características da corrente elétrica que produzem, os geradores podem ser de corrente contínua (dínamos) e alternada (alternadores). Além disso, quando se trata de um gerador de corrente continua, os mesmos princípios que formam a base de operação de maquina de corrente alternada e de corrente continua são governadas pelas mesmas leis fundamentais. Desta forma no calculo do torque desenvolvido por um dispositivo eletromecânico se aplica tanto para geradores CA, quanto para CC. À única diferença entre ambos são os detalhes de construção mecânica, isto também se aplica para força eletromotriz no rotor. Portanto as maquinas CA não são fundamentalmente diferente das CC, ou seja, diferem somente em detalhes construtivos. Logo para que um gerador seja CC é necessário que haja uma força eletromotriz para assim produzir um campo magnético e em seguida gerar uma corrente que ao passar pelo anel comutador gere uma corrente continua.

2 – Histórico

Esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o último estágio de estudos, pesquisas e invenções de muitos cientistas, durante quase três séculos. Em 1600 o cientista inglês William Gilbert publicou em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atração magnética. O fenómeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, em 641 a.C., ele verificou que ao fricionar uma peça de âmbar com um pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pêlos, penas, cinzas, etc. A primeira máquina eletrostática foi construída em 1663 pelo alemão Otto Von Guericke e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

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O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes eléctricas, verificou em 1820 que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente eléctrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a íntima entre o magnetismo e a electricidade, dando assim, o primeiro passo para em direcção ao desenvolvimento do motor eléctrico. O sapateiro inglês William Sturgeon – que paralelamente com sua profissão, estudava electricidade nas horas de folga – baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor eléctrico transformava-se em um íman quando se aplicava uma corrente eléctrica, observando também que a força do íman cessava tão logo a corrente fosse interrompida. Estava inventado o eletroíman, que seria de fundamental importância na construção de máquinas eléctricas girantes. Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de vaivém. Já no ano de 1833, o inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor eléctrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um íman permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do eletroíman era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um íman em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador. Grande sucesso obteve o motor eléctrico desenvolvido pelo arquitecto e professor de física Moritz Hermann Von Jacobi – que, em 1838, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou a uma velocidade de 4,8 quilômetros por hora. Somente em 1886 Siemens contruiu um gerador sem a utilização de íman permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia se auto-excitar. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 watts e uma rotação de 1200rpm. A máquina de Siemens não funcionava somente como um gerador de electricidade, mas também podia operar como um motor, desde que se aplicasse aos seus bornes (Os conectores bornes são para a entrada de sinais elétricos ou de alimentação.) uma corrente contínua. Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eléctrica, com uma potência de 2 kW. A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação a maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta idéia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileu Ferrarris e o russo Michael Von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.

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3 – Elementos de um gerador de corrente contínua. As partes principais de um gerador de corrente continua são: O Rotor (armadura), Anel Comutador, Estator (parte fixa), Escovas.

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Figura 1 – vista de um corte de um gerador cc Fonte: http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/imagens/a247.jpg

3.1 - Rotor

Parte girante, montada sobre o eixo da máquina, construído de um material

ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. O rotor gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então ligada a um circuito externo, ou seja, o rotor do gerador libera corrente para o circuito externo. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia.

Figura 2 – rotor de uma maquina de corrente contínua

Fonte: http://homepages.which.net/~paul.hills/Motors/Starters/Rotor.jpg

3.1.1 - Partes do Rotor

Núcleo Magnético: é constituído de um pacote de chapas de aço magnético

laminadas, com ranhuras axiais para alojar o enrolamento da armadura; Enrolamento da Armadura: é composto de um grande número de espiras em

série ligadas ao comutador. O giro da armadura faz com que seja induzida uma tensão neste enrolamento

Comutador: é constituído de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das

outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua.

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Eixo: é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada. 3.2 - Anel Comutador

Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento do rotor, constituído de um anel de material condutor, segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. O anel é montado junto ao eixo da máquina e gira junto com o mesmo. O movimento de rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos.

Figura 3 – comutador de um gerador cc Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html

3.3 - Estator

Parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Também é constituído de material ferromagnético, envolto em um enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo do rotor. A fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente do própio rotor.

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Figura 4 - estator de um gerador de corrente contínua

Fonte: http://4.bp.blogspot.com/_1Zhsre0yUpg/SiF2Cq0-v7I/AAAAAAAAABE/o605-0JUECQ/S692/DSC00128.JPG

3.4 - Escovas São conectores de grafita fixos, montados sobre molas que permitem que eles deslizem (ou "escovem“) sobre o comutador no eixo do rotor. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa.

Figura 5 – escovas de grafite e carvão para gerador cc Fonte: http://www.mecdobrasil.com.br/escovas/images/gif/Escovas.gif

4 – Circuito magnético Para que o campo magnético possa atuar com a intensidade requerida sobre os elementos do circuito eléctrico, colocados em determinada zona da máquina eléctrica, é necessário criar um circuito magnético, isto é um conjunto de meios materiais, formado essencialmente por substâncias ferromagnéticas, constituindo um circuito fechado, através do qual um fluxo magnético se pode estabelecer com facilidade. Numa máquina eléctrica rotativa o circuito magnético será formado por uma parte colocada no estator e outra parte colocada no rotor e separadas por um Entreferro. No passado o circuito magnético estatórico era constituído pela carcaça, normalmente em ferro fundido, a que se juntavam os pólos magnéticos. Na actualidade o circuito magnético de um gerador de corrente contínua é constituído por um empacotamento de chapa magnética. No corte da chapa

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magnética, é imediatamente dada forma aos pólos magnéticos, indutores e de comutação. O circuito magnético rotórico é, também, formado pelo empacotamento de chapa magnética, com uma forma de coroa circular e na qual estão já recortadas as ranhuras abertas. O material ferromagnético, utilizado na construço do circuito magnético é caracterizado por ter baixas perdas magnéticas razoável condutibilidade térmica e bom comportamento mecânico. São valores típicos para a chapa magnética utilizada — chapa de ferro silicioso (< 3%) de cristais orientados laminadas a frio:

Espessura = 0,5 mm, indução de

saturação = 1,7 T, densidade de perdas = 2 W/kg. a 1,5 T, 50 Hz, massa volúmica = 7,8 x 10^3 kg/m^3, indução remanente = 1,0 T, resistividade = 40 x 10^-8Ω•m. A principal preocupaço no projecto do circuito magnético de uma máquina eléctrica de colector de lâminas diz respeito às perdas magnéticas — perdas por histerese e perdas por correntes de Foucault —, que têm de ser reduzidas para diminuir o seu contributo para o aquecimento da máquina. Por isso na actualidade o circuito magnético do gerador de corrente contínua é folheado e funciona numa zona afastada da saturaço magnética. No passado o circuito magnético estatórico de uma máquina de corrente contínua era maciço, sendo os pólos postiços presos à carcaça por parafusos. Considerava-se que não existia variação no tempo do fluxo magnético, e, portanto, eram diminutas e desprezáveis as perdas magnéticas estatóricas. Na atualidade, e devido ás preocupações sociais com a utilização racional da energia, mesmo essas pequenas perdas não são desprezadas, para ser aumentado o rendimento energético da máquina elétrica.

Figura 6 – Carcaças utilizadas para criação de um circuito magnético Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html

Nas antigas máquinas de corrente contínua, os pólos indutores estavam integrados, isto é eram fundidos, com a carcaça. Depois utilizaram-se os pólos postiços, isto é, eram peças separadas que eram adaptadas e aparafusadas ou rebitadas à carcaça. A adaptação do pólo à carcaça consistia numa maquinagem que era feita de forma a reduzir o, eventual, entreferro no contato entre o pólo e a carcaça. Para as máquinas alimentadas em corrente contínua, na atualidade, o

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circuito magnético é constituída por um empacotamento de chapa magnética, de baixas perdas (2,3 a 1,6 W/kgm), com uma espessura de 0,4 a 0,5 mm, e isoladas, Individualmente, por silicatagem, por fosfatagem, ou por envernizamento. Para aumentar a firmeza do conjunto as chapas extremas podem ter uma maior espessura. Os pólos indutores têm uma forma paralelepipédica no espaço, e são constituídos por um núcleo polar e pela expansão polar. A expansão polar sofre a influência do fluxo magnético de reação do induzido, que é variável no tempo. Os pólos auxiliares de comutação não possuem expansões polares, têm, também, uma forma paralelepipédica no espaço e criam um entreferro maior do que o dos pólos indutores. O circuito magnético rotórico é sempre folheado, porque roda no interior do campo magnético indutor, ficando, assim, as suas partes sujeitas à influência de um fluxo magnético variável. As chapas do circuito magnético rotórico, com Uma forma de coroa circular são recortadas, numa forma retangular, na periferia para formarem as ranhuras rotóricas, quando empacotadas, e possuem furos na superfície, destinados a formar canais de ventilação. As ranhuras do circuito rotórico têm uma forma retangular, com uma saliência em "cauda de andorinha" de forma a poderem levar umas réguas de material isolante, reglètes, que restringem o movimento dos condutores no interior da ranhura. No circuito magnético não são de prever avarias que obriguem a especiais cuidados de manutenção, preventiva ou de reparação. No entanto, como o circuito magnético é formado por ajustamentos, ou por empacotamentos, de diferentes partes, nas revisões principais, ou durante uma reparação convém verificar o estado de ligação e de sustentação dessas partes. Como consequência dos esforços eletrodinâmicos inerentes a um curto-circuito da máquina pode resultar avarias mecânicas nos pólos auxiliares de comutação.

5 - Princípios de Funcionamento de um gerador de corrente contínua

Quando se trata de um gerador, a energia mecânica é suprida pela aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina, uma fonte de energia mecânica pode ser, por exemplo, uma turbina hidráulica, uma turbina eólica, etc. A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor. A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual à variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no interior de um solenoide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto ou o solenóide movam-se, consumindo energia mecânica. Por esse motivo que um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético.

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A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi à direção da força eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera.

Se o campo magnético concatenado ao circuito está diminuindo, o campo magnético gerado pela corrente induzida irá à mesma direção do campo original (se opõem a diminuição), se, pelo contrário, o campo magnético concatenado está aumentando, o campo magnético gerado irá em direção oposta ao original (se opõem ao aumento).

Eemf - força eletromotriz; N – numero de espiras; – variação do fluxo

Figura 7: Posição do Plano da Bobina de Fio, relativamente à Direção do Campo Magnético, e a correspondente Força Eletromotriz Induzida.

Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html

Desta forma, a energia mecânica fornecida ao eixo, é armazenada no campo magnético da máquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina.

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Como o corpo do estator é constituído de materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo da máquina temos uma intensificação dos campos magnéticos no mesmo e, portanto, a produção de pólos magnéticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extensão do estator.

Quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura.

A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro.

Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido.

Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte

e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina.

Figura 8 – principio do funcionamento do gerador de corrente contínua

Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html

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Verificando as variações da FEM induzida na espira, vemos que se a carga do gerador for puramente resistiva, a corrente que nela circula sofre variação idêntica. A polaridade da Fem induzidado gerador se mantem constante, mas o seu valor é variável o que faz com que a corrente que circula por uma carga resistiva seja contínua, porém pulsativa. Um gerador de corrente contínua desse tipo não tem muitas aplicações práticas, pois o que se pretende na grande maioria dos casos é que a tensão gerada tenha polaridade constante e que seu valor seja pelo menos aproximadamente constante. A solução do problema é bastante simples, consistindo no acrécimo de novas espiras. Se por exemplo colocarmos uma espira fazendo 90º com primeira dividindo o anel coletor em quatro comutadores quando a FEM induzida em uma delas for nula na outra será máxima, dando origem a quatro valores máximos por ciclo. Na prática o numero de lâminas do comutador não geralmente inferior a 30, podendo chegar até mesmo a 80 ou 100, dependendo da classe de tensão da máquina. É bom lembrar que em tensões da ordem de 380V e 440V caso o número de lâminas seja pequeno, ocorrem diferenças de potencial entre llâminas adjacentes e um grande centelhamento contínuo, conhecido por “anel de fogo”, que acaba por fundir as lâminas do comutador. Daí a necessidade de um grande número de lâminas.

6 - Excitações do campo magnético Os Geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de

campo utilizado. Quando o campo do gerador é fornecido ou "excitado" por uma fonte cc separada, como por exemplo, uma bateria, ele é chamado de gerador de excitação separada. Quando o gerador fornece a sua própria excitação, ele é chamado de gerador auto excitado. Se o seu campo estiver ligado em paralelo com o circuito da armadura, ele é chamado de gerador em derivação. Quando o campo está em série com a armadura, o gerador é chamado de gerador série. Se forem usados os dois campos, derivação e série, o gerador é chamado de gerador composto. Os geradores compostos podem ser ligados em derivação curta com o campo de derivação em paralelo somente com a armadura, ou formando uma derivação longa, com o campo de derivação em paralelo com a armadura e com o campo série. Quando o campo série está ligado dessa forma, de modo que seus ampères-espira ajam no mesmo sentido que os do campo em derivação, diz-se que o gerador do composto-acumulativo. Os reostatos de campo são resistências ajustáveis colocadas nos circuitos de campo para variar o fluxo do campo e, portanto a fem gerada pelo gerador.

O gerador composto é muito mais usado do que os outros tipos de geradores, porque ele pode ser projetado de modo a oferecer uma ampla variedade de características.

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Figura 9 - Diagrama de circuito com gerador excitado separadamente

Figura 10 – diagrama de circuitos geradores de excitação série Figura 11 – diagrama de circuitos geradores de excitação em derivação

Figura 12 – diagrama de circuitos geradores de excitação composta

7 – Circuitos equivalentes do Gerador CC

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As relações entre Tensão e Corrente num circuito equivalente de um gerador e de acordo com a lei de Ohm.

Figura 13 – circuito de um gerador CC

Onde: As equações abaixo são escritas para determinar respectivamente:

Equação 6.1 e para calcular a tensão na armadura, Equação 6.2 a tensão no terminal do gerador, Equação 6.3 para determinar e corrente na linha,

Vta = Vg - Iara (6.1) Vt = Vg - Ia(ra + rs) (6.2) IL = Ia - Id (6.3)

Vta = tensão no terminal da armadura, V Vg = tensão gerada na armadura, V Ia = corrente da armadura, A Vt = tensão no terminal do gerador, V ra = resistência do circuito da armadura, Ω rs = resistência do campo série Ω rd = resistência do campo em derivação Ω IL = corrente na linha, A Id = corrente do campo em derivação, A

8 – Equações da tensão no gerador e regulação de tensão

A tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada através da fórmula descrita abaixo:

Onde: Vg = tensão média gerada por um gerador cc, V p = número de pólos Z = número total de condutores da armadura (também chamado de indutores) Φ = fluxo por pólo n = velocidade da armadura, rpm

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b = número de percursos paralelos através da armadura, dependendo do tipo de enrolamento da armadura.

Para qualquer gerador todos os fatores são fixos exceto Φ e n então a equação acima resume a:

Onde:

Onde este revela o valor de uma fem induzida em qualquer circuito e

proporcional à razão com que o fluxo está sendo interceptado. Assim se Φ duplicar e n permanecer o mesmo Vg também é duplicado. Analogicamente, se n dobrar o valor, permanecendo Φ constante Vg dobra.

A regulação de tensão de um gerador é a diferença entre a tensão do terminal

sem carga (SC) e com carga máxima (CM) e é expressa como uma porcentagem do valor de carga máxima.

Regulação de tensão = tensão SC – tensão com CM tensão com CM

Uma regulação com baixa porcentagem, característica de circuito de

iluminação, significa que a tensão no terminal do gerador e praticamente a mesma com carga máxima ou quando está sem carga.

9 – Perdas e eficiências de um Gerador CC

As perdas nos geradores e motores consistem nas perdas no cobre dos circuitos elétricos e nas perdas mecânicas devidas á rotação da máquina. As perdas incluem: 1 – Perda no cobre Perdas I2R na armadura Perdas de campo

(1) I2R do campo em derivação

(2) I2R do campo em série

2 - Perdas mecânicas ou rotacionais (a) Perdas no ferro

(1) Perdas por correntes parasitas (2) Perdas por histerese

(b) Perdas por atrito (1) Atrito no mancal (rolamento) (2) Atrito nas escovas

(3) Perdas por vento ou atrito com o ar

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As perdas no cobre estão presentes, porque é consumida urna certa potência quando se faz passar uma corrente através de uma resistência. À medida que o rotor gira no campo magnético, a fem induzida nas partes de ferro permite a passagem de correntes parasitas ou de Foucault, que aquecem o ferro representando assim um desperdício de energia. As perdas por histerese ocorrem quando um material magnético é magnetizado inicialmente num sentido e em seguida no sentido oposto. Outras perdas rotacionais são produzidas pelo atrito de rolamento no mancal, pelo atrito das escovas apoiadas sobre o comutador e pelo atrito com o ar.

A eficiência é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada.

Eficiência = saída entrada

Eficiência = entradas – perdas = saída entradas saída + perdas

A eficiência e geralmente expressa na forma de porcentagem da seguinte forma:

Eficiência(%) = saída x 100 entrada

10 - PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR DE CA. Um gerador de corrente alternada funciona com base na indução de força eletromotriz num condutor em movimento dentro de um campo magnético. Para entender o seu funcionamento considere-se o esquema da figura 1, onde uma espira gira dentro de um campo magnético, gerando uma tensão (FEM) e uma corrente induzidas.

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Figura 1

A Figura 2 ilustra, passo a passo, a indução de uma corrente na espira do gerador de corrente alternada elementar da figura 1. Em t1 os condutores a e b estão se movimentando paralelamente ao fluxo magnético (com sentidos opostos). Como nenhuma linha de fluxo é cortada θ=0º=180º, nenhuma tensão ou corrente é induzida. No instante t2, o movimento dos condutores já corta as linhas de fluxo magnético em um determinado ângulo θ e uma tensão é induzida e esta proporciona uma corrente induzida com o sentido indicado, dado pela regra da mão direita. No instante t3 o movimento dos condutores corta as linhas de fluxo perpendicularmente (ângulo de 90o) e a variação do fluxo é máxima. A tensão induzida é máxima e, portanto, há o pico de corrente induzida. Em t4, o movimento dos condutores corta as linhas de fluxo magnético em um determinado ângulo e uma tensão menor é induzida. Como o ângulo é complementar a θ2 a tensão induzida é igual a do instante t2. Em t5 os condutores a e b estão novamente se movimentando paralelamente ao fluxo magnético (com sentidos opostos) e nenhuma tensão ou corrente é induzida.

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Figura 2

A Figura 3 representa a segunda meia volta da espira. Nota-se que, do instante t5 para t6 a direção na qual o condutor corta o fluxo é invertida. Portanto, a polaridade da tensão induzida é invertida e, consequentemente, o sentido da corrente é alternado, formando, a partir daí, o semiciclo negativo da forma de onda, pelo mesmo processo anterior.

Figura 3

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Figura 4

Figura 5

11-PARÂMETROS DA FORMA DE ONDA DA TENSÃO E DA CORRENTE ALTERNADA SENOIDAL Para conhecermos corretamente um sinal de tensão e de corrente alternadas e senoidais, precisamos estudar os parâmetros da forma de onda senoidal. Alguns destes parâmetros têm significado geral (para a matemática e a física, por exemplo), mas quando estudados em eletricidade têm sentido específico. A Forma de Onda é a curva descrita por uma quantidade (como tensão ou corrente) em função de alguma variável como tempo, posição, ângulo, etc. Essa quantidade assume um valor (amplitude) da forma de onda num determinado instante, chamado Valor Instantâneo, geralmente representado por uma letra minúscula (v ou i, por exemplo). O Valor de Pico (Amplitude Máxima) é o máximo valor da forma de onda medido a partir de seu valor zero (eixo y) e geralmente é representado em letra maiúscula (VP ou IP, por exemplo). Portanto, conhecermos o valor médio, o valor eficaz, o valor de pico, a frequências e a fase de uma senóide é muito importante para o estudo do comportamento energético das tensões e correntes elétricas.

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11.1- VALOR DE PICO: Ao conjunto de valores positivos e negativos de uma senóide chamamos de ciclo, que no caso do gerador elementar de tensão e corrente alternada, estudado no capítulo anterior, corresponde a uma volta completa da espira no campo magnético. O Valor de Pico é a amplitude da forma de onda que corresponde ao máximo valor no eixo vertical. O máximo valor da corrente é a Corrente de Pico (Ip) e o máximo valor da tensão é a Tensão de Pico (Vp), como indica a figura 6. O Valor de Pico a Pico de tensão e corrente (Vpp e Ipp) é o valor correspondente entre o pico superior (amplitude máxima positiva) e o pico inferior (amplitude máxima negativa ou vale) e é exatamente o dobro do valor de pico numa forma de onda senoidal, pois esta é simétrica.

Vpp = 2.Vp e Ipp = 2.Ip

Figura 6

11.2- PERÍODO (T): É o tempo necessário para a ocorrência de um ciclo completo de uma função periódica, como mostra a figura 6. Com relação ao gerador elementar estudado no capítulo anterior, o Período (T) é o tempo necessário para a espira dar uma volta completa, ou seja, percorrer 360º. A unidade do Período é o segundo (s). 11.3- FREQÜÊNCIA (f): A velocidade na qual os ciclos são produzidos é chamada frequência. É o número de ciclos por unidade de tempo (a cada segundo). Relacionando, obtemos:

f = 1 / T e T = 1 / f

No Sistema Internacional (SI) a unidade da Frequência, ciclos por segundo, é chamada Hertz (Hz). Assim, um Hertz significa um ciclo completado em um segundo. 11.4- VALOR MÉDIO

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O valor médio de uma função representa o resultado líquido da variação de uma grandeza física como deslocamento, temperatura, tensão, corrente, etc. O valor médio não representa o resultado líquido energético, ou trabalho realizado, mas apenas a resultante líquida entre excursões positivas e negativas para o valor de uma função, chamada média aritmética. Assim, para uma função periódica senoidal, como a apresentada na figura 7, onde ti=0 e tf=T, o valor médio é igual à zero.

Figura 7

11.5- VALOR EFICAZ O valor eficaz de uma função representa a capacidade de produção de trabalho efetivo de uma grandeza variável no tempo entre as excursões positivas e negativas de uma função. Matematicamente, o valor eficaz de uma função discreta é sua média quadrática, dada pela raiz quadrada do somatório dos quadrados dos valores dos eventos dividido pelo número de eventos.

O valor eficaz corresponde à altura de um retângulo de base igual a um semiciclo e área equivalente a esse semiciclo, como mostra a figura 8. Portanto, o valor eficaz corresponde a um valor contínuo de 70,7% do valor de pico de uma senóide;

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Figura 8

No estudo de circuitos com tensão e corrente alternado senoidais é importante entendermos o conceito físico de valor eficaz. Para entendermos o significado físico do valor eficaz, analisaremos a potência elétrica fornecida a um resistor, tanto em corrente alternada como em corrente contínua, como mostram os circuitos da figura 9.

Figura 9

Qual seria a tensão e a corrente alternada que fariam com que o resistor R dissipasse a mesma potência em CA que a dissipada em CC? Se fizermos isso na prática, verificaremos que o valor de tensão e corrente contínua a ser aplicado corresponde ao valor eficaz de tensão e de corrente alternadas. O valor da tensão eficaz ou da corrente eficaz é o valor que produz numa resistência o mesmo efeito que uma tensão/corrente contínua constante desse mesmo valor.

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12- Geradores de Corrente Alternada CA (AC)

Um Gerador Eléctrico é um dispositivo que produz uma Força Eletromotriz (f.e.m.) pela variação do número de Linhas de Fluxo (Linhas de Força) Magnético, Φ, que atravessam uma Bobina de Fio. A Figura 1 é um tipo de Gerador. Acionando a manivela, a Bobina gira entre os Polos do Íman e uma Tensão de CA (AC) é produzida.

Figura 1: Gerador Eléctrico

O seu princípio de operação é baseado na Indução Eletromagnética, definida pela Lei de Faraday, que diz:

A Força Eletromotriz, Efem, induzida numa Bobina é proporcional ao número de espiras, N, da Bobina, e à Taxa Temporal de Variação, dΦ / dt, do número de Linhas de Fluxo Magnético, Φ, que atravessam a superfície (A) limitada pela Bobina.

Um Efeito Induzido é sempre de tal forma a Opor-se à causa que o produz.

No Gerador, a Bobina está sob a influência de Campo Magnético Estacionário. A Densidade do Fluxo Magnético, B, é constante e Φ = B x Aef, assim Φ é proporcional à Área efetiva, Aef, da Espira. À medida que a Espira gira em ângulos diferentes, há uma alteração da Área efetiva Aef da Espira que é apresentada na Figura 2.

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Figura 2: Área Efetiva da Espira para Diferentes Ângulos de Rotação

A Taxa Temporal de Variação do Φ, dΦ / dt, é a maior nos pontos zero da Forma de Onda e é menor nos picos da Forma de Onda. Assim, a Força Eletromotriz Eemf Induzida é máxima nos pontos zero e é mínima nos picos, Figura 3. A saída da Força Eletromotriz Eemf Induzida na saída do Gerador é uma Tensão de Corrente Alternada, CA (AC), e a sua Forma de Onda é mostrada na apresentada na Figura 4.

Figura 3: Diferentes Taxas Temporais do Fluxo Magnético, para Vários Ângulos de Rotação.

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Figura 4: POSIÇÃO fazer Plano da Bobina de Fio, relativamente à Direcção do Campo

Magnético, ea Correspondente Força Induzida Figure Electromotriz 4: Posição do Plano fio

da bobina rotativa para a direção do campo magnético e da força eletromotriz induzida

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“Deus é como a corrente elétrica, está sempre movimentando-se para facilitar nossas vidas e nós não vemos. Só o percebemos quando levamos um choque na vida.”

Josemir Gomes de Amorim