Experiência I – Obtenção Experimental dos Parâmetros do Circuito

Experiência VI
Característica de Regulação do Gerador de Corrente Contínua com
Excitação em Derivação
1. Introdução
Neste ensaio a máquina de corrente contínua ANEL trabalhará como gerador autoexcitado, não sendo mais necessária uma fonte adicional de corrente contínua para a tensão
V f . Para tanto, o mesmo enrolamento de campo que foi utilizado nas Experiências IV e V
será agora ligado em paralelo com o enrolamento de armadura.
O objetivo deste ensaio é também o levantamento da curva da tensão terminal Va
em função da corrente de armadura I a que irá variar em função da carga conectada ao
gerador (característica de regulação).
O circuito elétrico equivalente em regime permanente do gerador de corrente
contínua auto-excitado com o campo em derivação é o mostrado na Fig. 1.
Fig. 1. Circuito elétrico equivalente do gerador com excitação em derivação.
A partir do circuito elétrico acima pode-se deduzir que
V
Va = R f I f ∴ I f = a
Rf
Va = ω r Laf I f − Ra I a = ω r Laf
(1)
Va
− Ra I a
Rf
(2)
Analisando-se a equação (2) pode-se constatar que a variação da tensão de armadura com a
corrente de carga é maior agora do que a variação que ocorre com a máquina
V
independentemente excitada pois o termo ω r Laf a também diminui com o aumento de
Rf
I a , ocorrendo um “efeito cascata”. A Fig. 2 mostra o aspecto da curva de regulação do
gerador auto-excitado em derivação. Nesta mesma curva, em traço pontilhado é
apresentada a curva de regulação típica no caso da excitação independente.
Fig. 2. Curva de regulação típica de um gerador de corrente contínua com campo independentemente excitado
(em tracejado) e com o campo em derivação (traço pleno).
O processo de geração da tensão de armadura em uma máquina auto-excitada pode
ser compreendido a partir do seu circuito elétrico (Fig. 1). Na condição de funcionamento à
vazio (sem carga) a corrente de armadura I a é nula e as equações de tensão dos circuitos
elétricos de campo e armadura escrevem-se
Va = R f I f
(3)
Va = ω r Laf I f
(4)
Observa-se que a equação (3) representa, no plano Va versus I f , uma reta passando pela
origem com inclinação angular R f . Já a equação (4) é a característica de magnetização à
vazio do gerador (como a mostrada na Fig. 6 da Experiência 4). Para representar o efeito do
fluxo residual na tensão de armadura vamos adicionar à equação (4) a tensão residual que
chamaremos de Va1 que passará a se escrever como a seguir
Va = ω r Laf I f + Va1
(5)
Tanto (3) quanto (5) representam o que se passa entre a tensão de armadura e a corrente de
campo. A Fig. 3 mostra a representação gráfica das equações (3) e (5) e o processo de
estabelecimento da tensão terminal.
Fig. 3. Representação gráfica das equações (1) e (2) e processo de geração de
tensão de armadura.
Para entender como a tensão de armadura evolui, parte-se da condição inicial em
que a corrente de campo é nula. Neste caso, a característica de magnetização (equação (5))
estabelece que a tensão de armadura é a tensão residual, aqui chamada de Va1 . Com este
valor de tensão, a equação (3) (que é a reta na Fig. 3) estabelece que existe um valor I f 1 de
corrente de campo. Já, com I f 1 na característica de magnetização o valor da tensão de
armadura vale agora Va 2 . Com Va 2 na reta Va = R f I f um novo valor de corrente de
campo I f 2 é encontrado. Se continuarmos com este raciocínio verificaremos que o
processo só pára no ponto em que a característica de magnetização intercepta a reta
Va = R f I f . Este processo de estabelecimento de tensão é chamado de “escorvamento” e
conforme será constatado no procedimento experimental demanda um certo tempo. Na
prática, para que outros valores de tensão de armadura possam ser estabelecidos acrescentase, em série com o enrolamento de campo, um reostato de resistência Rreostato que tem
como função permitir mudar a inclinação da reta Va = ( R f + Rreostato ) I f .
2. Procedimento experimental
Novamente o acionamento mecânico do gerador de corrente contínua será feito pelo
motor síncrono de fabricação ANEL que se encontra acoplado mecanicamente ao gerador
de corrente contínua. Esquemas de ligação e explicação dos procedimentos de acionamento
do motor síncrono foram dados na Experiência IV e não serão repetidos aqui. As cargas
para o gerador de corrente contínua serão também lâmpadas.
1) Ligações do gerador de corrente contínua
Efetuar as ligações conforme esquema de ligações apresentados nas Fig. 9 da
Experiência IV (para o motor síncrono) e na Fig. 4 abaixo (para o gerador síncrono em
carga).
Fig. 4. Esquema de ligações do gerador de corrente contínua.
2) Acionamento do motor síncrono
a) Ligar o barramento de corrente alternada.
b) Gradativamente aplicar tensões trifásicas com o auxílio do Varivolt até que seja
alcançada a tensão nominal de 230 Volts de linha. O motor síncrono parte
assíncronamente 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.
3) Operação do gerador e ensaio em carga
a) Inicialmente certificar-se de que todas as lâmpadas estejam desligadas.
b) Diminuir a resistência do reostato ligado em série com o enrolamento de campo de
maneira a fazer com que a tensão de armadura atinja seu valor nominal que é de 220
Volts. Observe que a tensão não se estabelece de imediato durante o processo de
escorvamento conforme já dito acima. Se a tensão diminuir ao invés de aumentar
é necessário inverter o sentido de rotação do acionamento. Para isto deve-se
desligar toda a bancada, trocar duas fases no varivolt e repartir o motor
síncrono.
c) Ligar uma lâmpada e anotar a tensão e a corrente de armadura ( Va e I a ).
d) Repetir o procedimento de ligar lâmpadas, mas atentar para que a corrente de
armadura não ultrapasse 9 A que é a corrente nominal do gerador de corrente
contínua. É muito importante também que a corrente do motor síncrono seja
constantemente verificada. Ela não pode, em hipótese alguma, ultrapassar 5.1
A o que acarretaria a perda de sincronismo da máquina.
e) Para desligar o gerador deve-se reduzir a corrente de excitação do campo
aumentando a resistência do reostato. É importante também não se abrir os
interruptores que acionam as lâmpadas sob tensão contínua pois isto danifica
os interruptores.
4) Desligar o motor síncrono
a)
b)
c)
d)
e)
f)
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.
Curto-circuitar o enrolamento de campo do motor.
Diminuir a tensão aplicada no estator do motor com o Varivolt.
Desligar a botoeira de corrente alternada.
5) Traçar a curva de tensão de armadura versus corrente de armadura.
Referências
[1] N.Sadowski, Notas de Aula de EEL7201-Aspectos Construtivos e Análise de Máquinas
Elétricas, Florianópolis, Maio de 2004.
[2] P. C. Krause, O. Wasynczuk, S. D. Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and Drive
Systems, IEEE Series on Power Engineering, Wiley Interscience, Piscataway, 2002.