Conversão de Energia I

Departamento de Engenharia Elétrica
Conversão de Energia I
Aula 5.3
Geradores de Corrente Contínua
Prof. Clodomiro Unsihuay Vila
Bibliografia
FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Jr. C. E UMANS, S. D. Máquinas Elétricas:
com Introdução à Eletrônica De Potência. 6ª Edição, Bookman, 2006.
Capítulo 7 – Máquinas CC
KOSOW, I. Máquinas Elétricas e Transformadores.
Editora Globo. 1986.
Capítulo 3 – Relação de Tensão nas Máquinas CC –
Geradores CC
TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de Máquinas
Elétricas. LTC, 1999.
Capítulo 7 – Geradores de Corrente Contínua;
Bim, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento.
Editora Elsevier, 2009.
Capítulo 7 – Regime permanente de máquinas de
corrente contínua
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Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Gerador com Excitação Independente
O enrolamento de campo é alimentado com uma tensão CC controlada
gerando um fluxo magnético controlado.
Se houver uma fonte externa de torque produzindo rotação no eixo, será
induzida uma tensão na armadura e a máquina opera como gerador.
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Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Gerador com Excitação Independente
Gerador com excitação independente
Ea = K Z ⋅ φ pico ⋅ wm
Torque que deve ser fornecido ao gerador para manter velocidade de rotação
T = KT ⋅ φ pico ⋅ I a
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Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Operação do gerador com Excitação Independente
O balanço de tensão do circuito da
armadura será:
Va = Ea − Ra ⋅ I a
Considerando a resistências das
escovas:
Gerador com excitação
independente, circuito equivalente.
Va = Ea − ( RA + RE ) ⋅ I a
Sendo:
IA = corrente de armadura;
RA = resistência de armadura;
RE = resistência das escovas.
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Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Operação do gerador com Excitação Independente
O balanço de tensão do circuito de
campo será:
VF = ( RF + RC ) ⋅ I F
Sendo:
RF= Resistência do enrolamento do
campo;
RC = Reostato de campo.
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Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Operação do gerador com Excitação Independente
O fluxo gerado será função da
corrente que flui no circuito de
campo:
φ = função( I F )
Força eletromotriz induzida no
circuito da armadura (Ea) é função
do fluxo Φ:
Gerador com excitação
independente - Circuito equivalente.
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Ea = K Z ⋅ φ pico ⋅ wm
Região linear de operação
Dentro de uma ampla faixa a relutância do aço da máquina é desprezível
em comparação a do entreferro. Nessa região, o fluxo é linearmente
proporcional à Fmm dos enrolamentos de campo.
Ea = K Z ⋅ φ pico ⋅ wm
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Região linear de operação
Nessa região linear a tensão induzida na armadura aumenta de forma
linear com o fluxo (corrente de campo) para uma frequência de rotação
constante.
Para um fluxo constante a tensão induzida aumenta de forma linear com o
aumento da velocidade de rotação.
Ea
Ea 0
= K Z ⋅ φ pico =
wm
wm 0
wm
Ea =
⋅ Ea 0
wm 0
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Exercício
Um gerador de dois pólos com excitação independente, tem uma tensão
terminal a vazio de 125 [V], quando a armadura gira a 900 [rpm] e o
enrolamento de campo é alimentado com uma corrente de 2 [A]. Esse
gerador está trabalhando na porção linear da curva de magnetização. O
enrolamento de campo possui no total 400 espiras. O enrolamento da
armadura possui 450 condutores, imbricados simples (m=1), e a resistência
da armadura mais a resistência do comutador é de 0,6 [Ω]. Com uma carga
de resistência de 5 [Ω] nos terminais do gerador, a tensão terminal cai. Qual
deve ser o novo valor da corrente de campo para alimentar a carga com
uma tensão 125[V] (considerar que a velocidade do gerador permanece
constante)?
Obs. Considerar que todo o fluxo produzido no enrolamento de campo está
concatenado numa espira da armadura (Φpico = Φcampo )
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Operação das máquinas CC
Com o aumento da densidade de fluxo ocorre a saturação do material
ferromagnético é a relação entre Fmm e fluxo já não é mais linear.
Relação entre Fmm e fluxo numa máquina CC
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Operação das máquinas CC
A tensão induzida na armadura é proporcional a Fmm (fluxo por polo) e a
velocidade de rotação do rotor.
Ea = K Z ⋅ φ pico ⋅ wm
Fmmcampo = N f ⋅ I f
Curva de magnetização para duas velocidade do rotor
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Exercício
Um gerador CC com uma resistência de armadura Ra = 0,1[Ω], e uma
resistência do enrolamento de campo Rfw = 80 [Ω], e Nf = 1200 espiras.
a) Determine a tensão terminal para corrente de armadura de 120 [A],
considerando que esse gerador opera com uma corrente de campo de 1 [A] e
sua velocidade de rotação de 1000 [rpm] (as características de magnetização
para 1000 [rpm] são apresentadas na figura abaixo);
b) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão
terminal de 100 [V], quando operando com corrente de armadura de 120 [A].
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Exercício
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Auto-excitação do gerador shunt
O material ferromagnético do enrolamento de campo mantém uma
magnetização residual (Ear) que induz uma pequena tensão na armadura
e por conseqüência uma pequena corrente de campo. Essa corrente de
campo alimenta o enrolamento de campo formando um ciclo de
realimentação que propicia a partida do gerador.
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Auto-excitação do gerador shunt
Comportamento da tensão induzida no gerador com a variação da
resistência em série com o enrolamento de campo.
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Exercício
Um gerador CC com resistência de armadura Ra = 0,1 [Ω], a resistência
do enrolamento de campo Rfw = 80 [Ω], e Nf = 1200 espiras por pólo.
Quando operando em 1000 [rpm] (as características de magnetização
para 1000 [rpm] é apresentada abaixo), determine:
Para o gerador operando sem carga, determine:
a) Determine o máximo valor da tensão gerada; (Vt = 110 [V])
b) Determine o valor da resistência de campo requerida para gerar a
tensão terminal de 100 [V]. (Rfc = 20 [Ω])
c) Determine o valor da resistência de campo critica. (Rfc = 90 [Ω])
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Exercício
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Exercício
Para o gerador operando sem carga, determine:
c) Determine o valor da resistência de campo critica.
R f ( crit )
85
=
= 170[Ω]
0,5
R fc = R f − R fw
R fc = 170 − 80 = 90[Ω]
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