Experiência I – Obtenção Experimental dos Parâmetros do Circuito

Experiência IV
Levantamento da Característica de Magnetização do Gerador de
Corrente Contínua
1. Introdução
A máquina de corrente contínua de fabricação ANEL que será usada nesta
experiência é a mostrada na Fig. 1. Trata-se, similarmente ao motor de indução ensaiado na
primeira experiência, de uma máquina didática. A Fig. 2 mostra a placa da máquina em
questão.
Fig. 1. Máquina de corrente contínua de fabricação ANEL.
Fig. 2. Placa da máquina de corrente contínua de fabricação ANEL.
Os circuitos equivalentes das máquinas de corrente contínua em seu funcionamento
em regime permanente são mostrados na Fig. 3 a seguir. Estes circuitos são associados aos
seus dois enrolamentos: o enrolamento de campo e o enrolamento de armadura. V f , I f e
R f representam, respectivamente, a tensão, a corrente e a resistência do enrolamento de
campo. Já Va , I a e Ra representam as mesmas grandezas do enrolamento de armadura,
ω r é a velocidade de rotação do rotor e Laf é a indutância mútua entre os enrolamentos de
campo e de armadura. Por razões ligadas ao funcionamento do comutador, o enrolamento
de armadura encontra-se no rotor enquanto que o enrolamento de campo é colocado no
estator.
Fig. 3. Circuitos elétricos equivalentes das máquinas de corrente contínua funcionando
em regime permanente.
Para a geração de um tensão contínua, o enrolamento de excitação (campo) pode ser
excitado de maneira independente, isto é, alimentado através de uma fonte de corrente
contínua ou então a máquina pode operar auto-excitada. Neste caso o enrolamento de
campo pode ser ligado em paralelo com a armadura ou então em série com a mesma.
O enrolamento de campo a ser ligado em paralelo com a armadura possui um
grande número de espiras e é chamado de “campo em derivação”. Contrariamente, o
enrolamento de campo que será ligado em série com a armadura possui poucas espiras e é
construído com condutores de secção transversal bem maior de maneira a reduzir a queda
de tensão nos seus terminais. Este último é chamado de “campo em série”. Eles são,
portanto, distintos e são acessados em bornes diferentes.
O funcionamento dos geradores de corrente contínua auto-excitados será objeto de
experiências que serão feitas mais adiante. Nesta experiência relativa à determinação da
característica de magnetização da máquina de corrente contínua trabalharemos com campo
independentemente excitado. Para a excitação independente utiliza-se o mesmo
enrolamento do campo em derivação. Como se trata de uma máquina didática de quatro
pólos eles deverão ser ligados em série, conforme esquema que será apresentado mais
adiante.
Retomemos o circuito elétrico da Fig. 3. A partir deste circuito pode-se escrever as
equações da tensão de campo e da tensão de armadura, como abaixo
Vf = Rf I f
(1)
Va = Ra I a + ω r Laf I f
(2)
Para o caso de um gerador funcionando à vazio ( I a = 0) a equação (2) simplifica-se
Va = ω r Laf I f = ω r N aφaf
(3)
onde, para a última igualdade a indutância mútua Laf foi escrita como
Laf =
N aφaf
(4)
If
e na qual N a é o número de espiras do enrolamento de armadura e φ af é o fluxo grado
pela corrente de campo I f visto pela armadura.
O fluxo φ af percorre o ferro do circuito magnético da máquina que, além de ser um
material não linear, apresenta histerese magnética. A título de ilustração, a Fig. 4(a) mostra
as curvas de uma corrente senoidal aplicada a um determinado tipo de ferro e o fluxo
magnético resultante [3], [4]. Observa-se bem a não-linearidade do ferro pois a corrente não
é senoidal. Ainda na Fig. 4(b) pode-se visualizar o ciclo de histerese obtido quando é
traçada a curva do fluxo em função da corrente. A perda por histerese é proporcional à área
deste ciclo e este, por sua vez, independente da forma de onda da corrente que o gera.
(a)
(b)
Fig. 4. (a) Curvas de corrente e fluxo em função do tempo (forma de onda do fluxo propositadamente
amplificada para facilitar a visualização). (b) Laço de histerese magnética.
No caso do gerador de corrente contínua, a corrente elétrica do campo não é
alternante como mostrada na Fig. 4(a), mas contínua. Assim, somente o primeiro quadrante
do ciclo de histerese é traçado. Isto pode ser entendido imaginando que o ferro esteja
inicialmente completamente desmagnetizado (ponto 1 do laço de histerese). Injeta-se então
gradativamente corrente contínua neste enrolamento até atingir-se o ponto 2 da curva acima
e opera-se o gerador. Um exemplo da distribuição do fluxo magnético na máquina para esta
condição de funcionamento do gerador a vazio é mostrada na Fig. 5 (a) [5]. Já a Fig. 5 (b)
mostra a densidade de fluxo no entreferro da máquina no sentido anti-horário ao longo de
uma linha imaginária no entreferro. Quando a máquina é desligada a corrente de campo é
anulada, mas o fluxo no ferro não se anula (ponto 3 do ciclo de histerese). Este fluxo
remanescente é chamado de “fluxo residual” e ele (ou parte dele) permanece circulando no
circuito magnético.
(a)
(b)
Fig. 5. (a) Distribuição do fluxo na metade de uma máquina de corrente contínua de dois pólos quando
somente o enrolamento de campo é excitado por uma corrente contínua constante.
(b) Indução magnética no entreferro.
Retomando-se novamente a equação (3) podemos agora esboçar a forma da tensão
de armadura Va que deverá por um lado ser não linear e além disto não iniciar-se em zero
Volts em virtude do fluxo residual. Seu aspecto é como mostrado na Fig. 6.
Fig. 6. Curva de magnetização típica de uma máquina de corrente contínua.
2. Procedimento experimental
Para proceder ao levantamento da característica de magnetização do gerador ANEL
disponível no laboratório, devemos utilizar uma máquina primária para acionar o gerador.
Esta máquina primária será a responsável pelo fornecimento da potência mecânica ao
gerador e manter sua velocidade de rotação ω r . A máquina que será utilizada como
máquina primária será o motor síncrono, igualmente fabricado pela ANEL, que está
acoplado à máquina de corrente contínua, conforme mostra a Fig. 7 abaixo.
Fig. 7. Conjunto máquina síncrona e máquina de corrente contínua.
A tensão de alimentação do motor será de 230 Volts. Neste caso as bobinas do
estator estarão ligadas em estrela, conforme pode ser verificado. A corrente nominal do
estator do motor nesta tensão (em carga nominal de 2 kVA) é de 5.1 Ampères. Já a corrente
contínua máxima do enrolamento de campo é de 0.6 Ampères, conforme dados de placa.
Visto tratar-se de um motor síncrono, ele precisa de dispositivos para poder partir
quando é ligado diretamente à rede sem um conversor estático. Este dispositivo, nos
motores do laboratório, é uma gaiola de esquilo também chamada de enrolamento
amortecedor. A Fig. 8 mostra a distribuição de fluxo magnético na partida de uma máquina
deste tipo. Já a Fig. 9 dá um exemplo da distribuição de correntes induzidas nas barras da
gaiola na mesma condição de rotor bloqueado.
Fig. 8. Distribuição de fluxo magnético na partida de um motor síncrono.
Fig. 9. Correntes induzidas na gaiola durante a partida de um motor síncrono.
1) Ligações do motor síncrono e do gerador de corrente contínua
Efetuar as ligações conforme esquema de ligações apresentados nas Fig. 10 e 11. Não
esquecer de curto-circuitar o amperímetro conectado ao estator do motor. Curto-circuitar
igualmente o enrolamento de campo do motor.
Fig. 10. Esquema de ligações do motor síncrono.
2) Acionamento do motor síncrono
a) Ligar o barramento de corrente alternada.
b) Gradativamente aplicar tensões trifásicas com o auxílio do Varivolt até se alcançar a
tensão nominal de 230 Volts de linha. O motor síncrono parte de modo assíncrono
com o auxílio dos enrolamentos amortecedores presentes no rotor.
c) Retirar o curto circuito do enrolamento de campo. Retirar o terminal A do descanso
e colocá-lo sobre o terminal do campo que não estava conectado (terminal 2). Ligar
o barramento de corrente contínua e, variando o reostato, injetar entre 0.4 A e 0.5 A
de corrente contínua no enrolamento de campo.
d) Retirar o curto-circuito do amperímetro que está ligado ao estator do motor.
Fig. 10. Esquema de ligações do gerador de corrente contínua
3) Operação do gerador e ensaio
a) Com uma fonte de corrente contínua alimentar o campo do gerador de maneira a
ultrapassar a sua tensão nominal que é de 220 Volts. Tal procedimento visa a
evidenciar a saturação magnética. A tensão pode ser de cerca de 250 Volts. Anotar
Va e I f .
b) Reduzir gradativamente a excitação do campo e anotar os pares Va e I f . Esta
variação pode ficar em torno de 10 Volts. Quando for atingida a parte linear da
curva de magnetização não há necessidade de variações tão pequenas.
c) O último ponto de medição corresponde à tensão residual. Esta medição Va é
efetuada desligando-se a fonte do campo.
4) Desligar o motor síncrono
a)
b)
c)
d)
e)
Curto-circuitar novamente o amperímetro ligado em série com o estator do motor.
Com o reostato diminuir ao mínimo a corrente de campo do motor.
Desligar a botoeira do barramento de corrente contínua.
Colocar o terminal A no descanso (ponto 2).
Curto-circuitar o enrolamento de campo.
f) Diminuir a tensão aplicada no estator do motor com o Varivolt.
g) Desligar a botoeira de corrente alternada.
5) Traçar a curva de tensão de armadura versus corrente de campo.
Referências
[1] N.Sadowski, Notas de Aula de EEL7201-Aspectos Construtivos e Análise de Máquinas
Elétricas, Florianópolis, Maio de 2004.
[2] Manual do software EFCAD, Versão 7.0, 2003.
[3] Mayergoyz, I.D., Mathematical Models of Hysteresis, Springer-Verlag, New York,
1991.
[4] Bertotti, G., Hysteresis in Magnetism for Physicists, Materials Scientists and Engineers,
Academic Press, San Diego, 1998.