GERADORES DE CORRENTE CONTINUA SEM CARGA (em vazio

NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
33
GERADORES DE CORRENTE CONTINUA SEM CARGA (em vazio)
SURGIMENTO DE TENSÃO NOS GERADORES DE CORRENTE
CONTINUA EM VAZIO.
1. EXCITAÇÃO INDEPENDENTE
Diagrama elétrico
Característica Magnética
E
A
ch1
Iexc
+
fonte
independente
bobinas shunt ou
série
V
Ri
E
Iexc nominal
Eresidual
Iexc
1.1. rotação nominal e constante
1.2. ch1 aberta
1.3. surge Eresidual
1.4. fecha a ch1, ajusta a fonte para Iexc1 que produz E1
1.5. variando a tensão da fonte, ajusta para Iexc2 que produz E2, e assim por
diante, obtendo infinitos pontos de equilíbrio Iexc x E
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
34
2. AUTO EXCITAÇÃO
2.1. AUTO EXCITAÇÃO SHUNT – GERADOR SHUNT AUTO EXCITADO
Diagrama elétrico
Característica Magnética
E
ch1
resistência
de controle
Ri
Iexc nominal
Rsh
Eresidual
bobinas shunt
Iexc
2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.
rotação nominal e constante
ch1 aberta
surge Eresidual
fecha ch1 Æ Eresidual oferecido a (Rsh + Ri) Æ Rsh >> Ri Æ
surge
I exc1 =
Eres
Rsh
E
R
=
Æ sh
I exc
(genericamente)
2.1.5. Rsh pode ser representada no mesmo gráfico da Característica
Magnética
2.1.6. marca
I exc1 =
Eres
Rsh
Æ Iexc(1) x E1
(E1 > Eres), pois passou a
corrente Iexc1 nas bobinas de campo shunt e produziu fluxo adicional,
aumentando assim a tensão produzida.
E1
2.1.7. R = I exc 2 Æ E2
sh
E2
2.1.8. R = I exc 3 Æ E3
sh
2.1.9. e assim por diante até atingir o ponto de equilíbrio, no cruzamento da
reta Rsh com a curva da Característica Magnética.
Surgiu a tensão E com a corrente de excitação Iexc , sem a necessidade de
uma fonte externa, mas precisando da tensão residual (magnetismo residual)
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
35
Através do ajuste de Rsh, controlamos Ish e controlamos a tensão bruta E produzida:
Caracteristica Magnética
Detalhes
Rsh1 Æ Iexc1 ÆE1
E
Iexc nominal
Eresidual
Iexc
Rsh2 > Rsh1
Ish2 < Ish1
E2 < E1
Rsh3 < Rsh1
Ish3 > Ish1
E3 > E1
2.2. AUTO EXCITAÇÃO SÉRIE – GERADOR SÉRIE AUTO EXCITADO
Diagrama elétrico
R'S
bobinas série
Característica Magnética
E
RD
resistência de Ch2
controle (derivador)
Ri
Iexc nominal
Eresidual
Iexc
2.2.1. rotação nominal e constante
2.2.2. ch2 aberta
2.2.3. surge Eresidual
2.2.4. fecha ch2
2.2.5. permanece Eresidual pois o circuito está aberto, não passa corrente nas
bobinas série, não ocorre aumento de fluxo nem de tensão bruta
produzida. Não surge nenhuma tensão alem da tensão residual, estando
o gerador série auto excitado em vazio.
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
36
2.3. AUTO EXCITAÇÃO MISTA – GERADOR MISTO AUTO EXCITADO
2.3.1. GERADOR MISTO AUTO EXCITADO EM SHUNT CURTO
Diagrama elétrico
R'S
Ch1
Ri
RD
Ch2
Comentários
O conjunto de bobinas série e derivador
não atua, (circuito aberto), então o
gerador misto em shunt curto tem um
comportamento shunt.
Rsh
2.3.2. GERADOR MISTO AUTO EXCITADO EM SHUNT LONGO
Diagrama elétrico
Comentários
2.3.2.1. rotação nominal e constante
2.3.2.2. ch1 e ch2 abertas
2.3.2.3. surge Eresidual
2.3.2.4. fecha ch1
Ri e R´s << Rsh Æ predomina Rsh, desprezase Ri e R´s Æ comportamento shunt
2.3.2.5. fecha ch2
R'S
RD
Ri
Ch2
Ch1
Rsh
R s' .R D
Rs = '
< R s' ou R D
Rs + RD
Æ
predomina Rsh, despreza-se Ri e Rs Æ
comportamento shunt
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
37
EXEMPLO NUMÉRICO
Espiras shunt = 5000 Æ Rsh = 240,0Ω
Espiras série = 100 Æ R´s = 0,5Ω
Ri = 0,8Ω
Eres = 12,0 V
Calcular a tensão oferecida nos terminais da máquina e calcular as FMM dos campos
shunt e serie para um pólo, para as duas configurações – misto em shunt curto e misto em
shunt longo. Cálculos com 4 decimais após a unidade. (valores a comparar estão muito
próximos).
“O GERADOR MISTO (em shunt curto ou em shunt longo) EM VAZIO COMPORTA-SE
COMO GERADOR SHUNT”
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
38
GERADORES DE CORRENTE CONTINUA SOB CARGA
REAÇÃO DO INDUZIDO EM GERADORES DE CORRENTE CONTINUA
A reação do induzido é um campo magnético criado pela corrente do induzido,
quando o gerador está operando sob carga. Este fluxo interage com o campo
magnético produzido pelos pólos, provocando distorção, deslocamento e eventual
alteração do valor do fluxo magnético resultante no entreferro* da máquina.
*ENTREFERRO – espaço entre a sapata polar e a superfície do induzido.
PRIMEIRA SITUAÇÃO – Máquina operando na região linear da Característica
Magnética
C
figura 1
figura 2
figura 3
N
N
N
rotação
rotação
rotação
B
Iexc nominal
E ou φ
residual
A
curva simplificada completa
AB - trecho linear
BC - trecho não linear
C em diante - saturação
Iexc
S
fluxo dos pólos
S
reação do induzido
S
fluxo resultante
SEGUNDA SITUAÇÃO – Máquina operando fora da região linear da
Característica Magnética
C
figura 1
figura 2
figura 3
N
N
N
rotação
rotação
rotação
B
Iexc nominal
E ou φ
residual
A
curva simplificada completa
AB - trecho linear
BC - trecho não linear
C em diante - saturação
Iexc
S
fluxo dos pólos
COMENTÁRIOS
S
S
reação do induzido
fluxo resultante
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
39
OUTRA VISUALIZAÇÃO
N
rotação
N
fmm
polos
fmm reação
do induzido
rotação
eixo
neutro
S
S
só o fluxo dos pólos
Só o fluxo da reação do induzido
N
fmm
RI
Eixo
neutro
rotação
S
fmm
fmm polos resultante
Fluxo resultante
(diagrama fasorial sem escala e sem representar a redução do fluxo resultante
provocada pela saturação magnética)
•
Observa-se deslocamento e dispersão do fluxo magnético resultante.
• As escovas estavam curto circuitando bobinas não induzidas, mas estas
passaram a ser induzidas pelo FLUXO DISPERSO.
• Pode-se conviver com este problema, que se traduz em aumento na
intensidade do arco voltaico na comutação e aquecimento adicional, ou
pode-se eliminá-lo, movendo-se as escovas para outra posição, para
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
40
voltarem a curto circuitar bobinas não induzidas. (novas posições próximas,
onde o fluxo disperso não atinge bobinas não induzidas).
• O eixo neutro se desloca junto com as escovas - observe a figura em corte
transversal a seguir.
• A OPERAÇÃO DE MUDANÇA DE POSIÇÃO DAS ESCOVAS CHAMASE DECALAGEM.
N
componente
desmagnetizante
rotação
novo eixo
neutro
fmm RI
componente
transmagnetizante
fmm
resultante
S
fmm polos
Fluxo resultante
(diagrama fasorial sem escala e sem representar a redução do fluxo resultante
provocada pela saturação magnética)
NOTAR QUE AO REALIZAR A DECALAGEM, HAVERÁ REDUÇÃO DO
FLUXO MAGNÉTICO RESULTANTE, INDEPENDENTE DA CONDIÇÃO
DE SATURAÇÃO MAGNÉTICA OU NÃO.
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
41
RESUMO DAS CONSEQUÊNCIAS DA REAÇÃO DO INDUZIDO
CONDIÇÃO
1.
2.
3.
Máquina operando 4.
na região linear da
Característica
Magnética
5.
1.
2.
3.
Máquina operando 4.
fora da região
linear da
Característica
5.
Magnética
DECALAGEM
ITENS
SEM COM
S N S N
distorção do fluxo magnético resultante
•
•
dispersão do fluxo magnético resultante
•
•
redução do fluxo magnético resultante por
•
•
saturação magnética (região de operação)
tensão e corrente induzidas indesejáveis •
•
nas bobinas sob comutação Æ mais arco
voltaico e aquecimento
redução do fluxo magnético resultante
• •
pela
componente
desmagnetizante.
(realização da decalagem)
distorção do fluxo magnético resultante
•
•
dispersão do fluxo magnético resultante
•
•
redução do fluxo magnético resultante por •
•
saturação magnética (região de operação)
tensão e corrente induzidas indesejáveis •
•
nas bobinas sob comutação Æ mais arco
voltaico e aquecimento
redução do fluxo magnético resultante
• •
pela
componente
desmagnetizante.
(realização da decalagem)
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
42
• MINIMIZAÇÃO DOS EFEITOS DA REAÇÃO DO INDUZIDO
A minimização dos efeitos da reação do induzido é obtida com artifícios que
aumentam a relutância magnética do caminho seguido pelo fluxo da reação do
⎛
⎝
induzido, diminuindo assim seu valor e suas conseqüências. ⎜ φ =
fmm n.I ⎞
=
⎟
Rel
ℜ⎠
Caminho percorrido pelas linhas de fluxo da reação do induzido:
INDUZIDO Æ AR Æ SAPATA DO POLO Æ AR Æ INDUZIDO
N
fmm reação
do induzido
rotação
S
O trecho da sapata polar dos pólos convencionais atravessado pelas linhas de fluxo
da reação do induzido oferece uma determinada RELUTANCIA MAGNÉTICA.
Os pólos FENDIDOS, RANHURADOS E VASADOS, pela sua construção,
oferecerão um aumento da relutância magnética desse trecho, visando reduzir o
fmm n.I ⎞
⎛
=
⎟ Aumentando a relutância,
fluxo magnético da reação do induzido. ⎜ φ =
ℜ⎠
Rel
⎝
para o mesmo produto n.I , diminui o fluxo.
O fluxo magnético dos pólos também será afetado (diminuído), mas de maneira
muito pouco sensível, sendo desprezada esta redução.
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
POLO CONVENCIONAL
POLO FENDIDO
POLO RANHURADO
POLO VASADO
43
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
44
• ELIMINAÇÃO DA REAÇÃO DO INDUZIDO
A eliminação da reação do induzido será obtida através do Enrolamento de
Compensação, que é realizado nas sapatas polares, aproveitando as ranhuras ou
dutos vasados. Este enrolamento é atravessado pela corrente do induzido, e a
quantidade de espiras é feita de modo que se garanta a relação:
fmmreação do induzido = fmmenrolamento de compensação
os sentidos de corrente devem ser opostos, de modo que as fmm´s em questão se
anulem.
enrolamento de compensação
enrolamento do induzido
Desta forma, se garante a ELIMINAÇÃO DA REAÇÃO DO INDUZIDO.
NEM TODAS AS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTINUA SÃO
CONSTRUIDAS COM O ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO, E/OU COM
OS DIPOSITIVOS PARA REALIZAR A DECALAGEM.
ENTÃO, PARA ESTUDO GERAL DOS GERADORES DE CORRENTE
CONTINUA SOB CARGA, A EXPRESSÃO DA TENSÃO TERMINAL DO
GERADOR SERÁ CORRIGIDA:ORIGINAL
Vt = E − R i I i
V =E
t
f(I
exc
CORRIGIDA
−R I =E −R I
, RI)
i i
R
i i
E = tensão bruta produzida
E
= E = tensão produzida afetada pela reação do induzido
f(I
, RI)
R
exc
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
45
Até o presente momento, a TENSÃO BRUTA PRODUZIDA (E) permanecia
constante, enquanto o fluxo e a rotação permanecessem constantes. A partir de
agora, atentar para os efeitos da REAÇÃO DO INDUZIDO, que podem reduzir o
fluxo resultante e reduzir a tensão bruta produzida (E), transformando-a em tensão
bruta produzida afetada pela reação do induzido (ER).
Em situações práticas, haverá a informação “a reação do induzido provoca uma
redução de x% no fluxo bruto e conseqüentemente uma redução dos mesmos
x% na tensão bruta produzida.
Exemplos:–
“ a reação do induzido provoca uma redução de 3% no fluxo resultante” Æ
ER = 0,97E
“ a reação do induzido provoca redução de 4% na tensão bruta e a decalagem
realizada reduz o fluxo resultante em 5% Æ ER = 0,91E
EXERCICIO
1. (2,5) – Um gerador shunt de corrente continua, com enrolamento em anel de
Gramme, operando a plena carga, com excitação independente e constante de
1,5 A e 120 V. O efeito redutor da Reação do Induzido corresponde a 2,5%., O
gerador apresenta queda de tensão no induzido de 12 V.e tensão bruta já afetada
por RI de 780 V, com potência útil de 96000 W e tensão terminal de 768 V.
Pede-se para as condições expostas:
3.1 - Corrente de cada circuito da máquina;
3.2 - A resistência do induzido;
3.3 - A resistência do campo shunt;
3.4 - As perdas no cobre (enrolamentos)
3.5 - A tensão bruta produzida
NOTAS DE AULAS DE CONVERSÃO I
46