Conversão de Energia I

Aula 5.3

Departamento de Engenharia Elétrica

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

Conversão de Energia I

TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de MáquinasElétricas. 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

Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Gerador com Excitação Independente

Conversão de Energia I

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, seráinduzida uma tensão na armadura e a máquina opera como gerador.

Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Gerador com Excitação Independente

Gerador com excitação independente

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Gerador com excitação independente

Torque que deve ser fornecido ao gerador para manter velocidade de rotação

mpicoZa wKE ⋅⋅= φ

apicoT IKT ⋅⋅= φ

Operação do gerador com Excitação Independente

aaaa IREV ⋅−=

O balanço de tensão do circuito daarmadura será:

Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Considerando a resistências dasescovas:

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Gerador com excitação

independente, circuito equivalente.

Sendo:IA = corrente de armadura;RA = resistência de armadura;

RE = resistência das escovas.

aEAaa IRREV ⋅+−= )(

Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Operação do gerador com Excitação Independente

O balanço de tensão do circuito decampo será:

Sendo:R = Resistência do enrolamento do

FCFF IRRV ⋅+= )(

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RF= Resistência do enrolamento docampo;RC = Reostato de campo.

O fluxo gerado será função dacorrente que flui no circuito decampo:

)( FIfunção=φ

Tipos de Geradores de Corrente Contínua

Operação do gerador com Excitação Independente

Força eletromotriz induzida nocircuito da armadura (Ea) é função

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Gerador com excitação

independente - Circuito equivalente. mpicoZa wKE ⋅⋅= φ

circuito da armadura (Ea) é funçãodo fluxo Φ:

Região linear de operação

Dentro de uma ampla faixa a relutância do aço da máquina é desprezívelem comparação a do entreferro. Nessa região, o fluxo é linearmenteproporcional à Fmm dos enrolamentos de campo.

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mpicoZa wKE ⋅⋅= φ

Nessa região linear a tensão induzida na armadura aumenta de formalinear com o fluxo (corrente de campo) para uma frequência de rotaçãoconstante.Para um fluxo constante a tensão induzida aumenta de forma linear com oaumento da velocidade de rotação.

0

0

m

apicoZ

m

a

w

EK

w

E=⋅= φ

Região linear de operação

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0

0

a

m

ma E

w

wE ⋅=

ExercícioUm gerador de dois pólos com excitação independente, tem uma tensãoterminal a vazio de 125 [V], quando a armadura gira a 900 [rpm] e oenrolamento de campo é alimentado com uma corrente de 2 [A]. Essegerador está trabalhando na porção linear da curva de magnetização. Oenrolamento de campo possui no total 400 espiras. O enrolamento daarmadura possui 450 condutores, imbricados simples (m=1), e a resistênciada armadura mais a resistência do comutador é de 0,6 [Ω]. Com uma cargade resistência de 5 [Ω] nos terminais do gerador, a tensão terminal cai. Qualdeve ser o novo valor da corrente de campo para alimentar a carga comuma tensão 125[V] (considerar que a velocidade do gerador permanece

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uma tensão 125[V] (considerar que a velocidade do gerador permanececonstante)?Obs. Considerar que todo o fluxo produzido no enrolamento de campo estáconcatenado numa espira da armadura (Φpico = Φcampo )

Operação das máquinas CC

Com o aumento da densidade de fluxo ocorre a saturação do materialferromagnético é a relação entre Fmm e fluxo já não é mais linear.

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Relação entre Fmm e fluxo numa máquina CC

Operação das máquinas CC

A tensão induzida na armadura é proporcional a Fmm (fluxo por polo) e avelocidade de rotação do rotor.

mpicoZa wKE ⋅⋅= φ

ffcampo INFmm ⋅=

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Curva de magnetização para duas velocidade do rotor

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 umamagnetização residual (Ear) que induz uma pequena tensão na armadurae por conseqüência uma pequena corrente de campo. Essa corrente decampo alimenta o enrolamento de campo formando um ciclo derealimentação que propicia a partida do gerador.

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Auto-excitação do gerador shunt

Comportamento da tensão induzida no gerador com a variação daresistência em série com o enrolamento de campo.

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Exercício

Um gerador CC com resistência de armadura Ra = 0,1 [Ω], a resistênciado enrolamento de campo Rfw = 80 [Ω], e Nf = 1200 espiras por pólo.Quando operando em 1000 [rpm] (as características de magnetizaçãopara 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 atensão 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

][1705,0

85)( Ω==critfR

fwffc RRR −=

][9080170 Ω=−=fcR

Para o gerador operando sem carga, determine:c) Determine o valor da resistência de campo critica.

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][9080170 Ω=−=fcR