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SATC - ASSOCIAÇÃO BENEFICIENTE DA INDÚSTRA CARBONÍFERA DE
SANTA CATARINA
FACULDADE SATC – ENGENHARIA ELÉTRICA
CONVERSOR BUCK (CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR)
AVANÇO 3 – GERADOR CC
Anderson Rovani
Deivid Mioteli
Mateus Bortolatto
Max Gabriel Steiner
Criciúma, SC – Novembro de 2016.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Perspectiva com corte parcial do gerador CC. .................................... 7
Figura 2: Rotor bobinado máquina CC. .............................................................. 8
Figura 3: Desenho anel de comutação. .............................................................. 8
Figura 4: Estator motor CC................................................................................. 9
Figura 5: par de escovas de carvão. .................................................................. 9
Figura 6: Posição do Plano da Bobina de Fio, relativamente à Direção do
Campo Magnético, e a correspondente Força Eletromotriz Induzida. .............. 10
Figura 7 - Bobina nova com 270 espiras. ......................................................... 11
Figura 8 - Rebobinagem da armadura ............................................................. 12
Figura 9 - Gerador rebobinado e montado ....................................................... 12
Figura 10- Gerador acoplado ao motor e pronto para os testes. ...................... 13
Figura 11- Gráfico de Tensão x Velocidade. .................................................... 13
Figura 12 - Gráfico da tensão na carga ............................................................ 14
Figura 13- Gráfico da tensão gerada variando a corrente de excitação (eixo x
em V e eixo Y em A). ....................................................................................... 15
Figura 14 - Gráfico da tensão gerada variando a corrente de excitação com
carga (eixo x em V e eixo Y em A). .................................................................. 15
Figura 15 - Estator de imãs permanentes. ....................................................... 16
Figura 16 - Motor acoplado ao gerador ............................................................ 17
Figura 17 - Gráfico da tensão a vazio gerada .................................................. 18
Figura 18 - Teste com carga. .......................................................................... 18
Figura 19 - Gráfico da tensão gerada com carga ............................................ 19
Figura 20 - Gráfico da Potência Gerada ........................................................... 19
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SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO 4
2.0 QUESTÕES TEÓRICAS 6
2.1 GERADOR CC 6
2.2 Constituição de um gerador de corrente contínua. 6
2.3 Princípio de Funcionamento do gerador CC. 9
3.0 QUESTÕES PRÁTICAS 11
3.1 TESTE PRÁTICO DO GERADOR CC 11
3.1.1 GERADOR CC DE ARMADURA BOBINADA 11
3.1.2 TESTES NO PROTÓTIPO 12
3.1.3 GERADOR COM IMÃS PERMANENTES NO ESTATOR 16
3.1.4 TESTES NO PROTÓTIPO 17
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS 20
5. REFERÊNCIAS BIBBLIOGRÁFICAS 21
4
1.0 INTRODUÇÃO
O projeto multidisciplinar consiste na união das disciplinas de
Conversão Eletromecânica de Energia II e Eletrônica de Potência I e tem como
objetivo a construção de um motor/gerador CC acompanhado de um conversor
CC-CC Buck para adaptar os níveis de tensão do gerador ao solicitado.
O motor/gerador CC é uma máquina capaz de converter energia
mecânica em energia elétrica, assim fornece energia para diversos sistemas,
porém essa energia gerada deverá passar por um conversor CC-CC do tipo
Buck para ser manipulada.
O conversor CC-CC Buck é um circuito eletrônico utilizado para
converter uma tensão CC em outra tensão CC de valor mais baixo e são
utilizados, por exemplo, para reduzir a tensão de baterias de laptops (12-24V),
para fornecer os poucos volts necessários para o funcionamento de
processadores.
O motor/gerador será alimentado com uma tensão CC de 12 volts e
terá um regime de rotação uniforme, sendo que a rotação nominal será
determinada nas próximas etapas do projeto, evitando ao máximo um sobre
aquecimento de sua estrutura, bem como das bobinas.
O conversor adotado será do tipo Buck com os padrões Vi = 12V, Po
= 45W, ΔILmax = 10%, Vo = 5V, Fs = 32kHz e ΔVomax = 1%.
O projeto será desenvolvido em três etapas, sendo este documento
a 1ª etapa, a etapa 1 consiste no driver de acionamento dos MOSFETs, no
qual foi construído uma placa de circuito impresso para acionar os MOSFETs
utilizados no conversor Buck CC-CC, através da utilização de circuitos
integrados e transistores bipolares de junção (TBJs).
As duas próximas etapas serão ainda realizadas e apresentadas em
outros dois relatórios, sendo a etapa 2 o projeto do conversor CC-CC através
da realização dos cálculos de dimensionamento dos MOSFETs, capacitores,
indutores e dissipadores, para o conversor tipo Buck nas especificações
fornecidas acima.
A 3ª etapa contará com pesquisas de dimensionamento e cálculo
dos parâmetros necessários para determinar o tipo de condutor das bobinas, o
5
respectivo número de espiras, características fundamentais do estator, rotor,
entre outros, bem como aqui será feita a construção e testes do projeto por
completo.
6
2.0 QUESTÕES TEÓRICAS
2.1 GERADOR CC
O gerador de corrente contínua é uma máquina capaz de converter
energia mecânica em energia elétrica ou energia elétrica em mecânica (motor).
O termo "gerador elétrico" se reserva apenas para as máquinas que convertem
a energia mecânica em elétrica. Conforme as características da corrente
elétrica que produzem, os geradores podem ser de corrente contínua
(dínamos) e alternada (alternadores).
Além disso, quando se trata de um gerador de corrente continua, os
mesmos princípios que formam a base de operação de maquina de corrente
alternada e de corrente continua são governadas pelas mesmas leis
fundamentais. Desta forma no calculo do torque desenvolvido por um
dispositivo eletromecânico se aplica tanto para geradores CA, quanto para CC.
À única diferença entre ambos são os detalhes de construção mecânica, isto
também se aplica para força eletromotriz no rotor. Em um gerador seja CC é
necessário que haja uma força eletromotriz para assim produzir um campo
magnético e em seguida gerar uma corrente que ao passar pelo anel
comutador gere uma corrente continua. A seguir pode-se compreender um
pouco melhor sobre os grandes conjuntos que compõem fisicamente um
gerador do tipo CC.
2.2 Constituição de um gerador de corrente contínua.
As principais partes de um gerador de corrente continua são: rotor
(armadura), anel de comutação, estator (parte fixa) e par de escovas. Abaixo
através da figura é possivel visualizar e compreender a disposição destes para
um gerador modelo simples.
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Figura 1: Perspectiva com corte parcial do gerador CC.
a) Rotor: Parte girante, montada sobre o eixo da máquina, construído de
um material ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de
enrolamento de armadura e o anel comutador. O rotor gira por efeito de
uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então
ligada a um circuito externo, ou seja, o rotor do gerador libera corrente
para o circuito externo. Este enrolamento suporta uma alta corrente em
comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por
transportar a energia proveniente da fonte de energia.
8
Figura 2: Rotor bobinado máquina CC.
b) Anel comutador: Responsável por realizar a inversão adequada do
sentido das correntes que circulam no enrolamento do rotor, constituído
de um anel de material condutor, segmentado por um material isolante
de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento
de armadura e as escovas no momento adequado. O anel é montado
junto ao eixo da máquina e gira junto com o mesmo. O movimento de
rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos
enrolamentos.
Figura 3: Desenho anel de comutação.
c) Estator: Parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma
que o mesmo possa girar internamente. Também é constituído de
material ferromagnético, envolto em um enrolamento de baixa potência
chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de
produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo do rotor.
9
A fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada
de excitador, ou proveniente do própio rotor.
Figura 4: Estator motor CC.
d) Escovas: São conectores de grafita fixos, montados sobre molas que
permitem que eles deslizem (ou "escovem“) sobre o comutador no eixo
do rotor. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da
armadura e a carga externa.
Figura 5: par de escovas de carvão.
2.3 Princípio de Funcionamento do gerador CC.
Quando se trata de um gerador, a energia mecânica é tirada pela
aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina, uma fonte de energia
mecânica pode ser, por exemplo, uma turbina hidráulica, uma turbina eólica, etc.
A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento
relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo
10
magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma
variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir
uma tensão entre os terminais do condutor. Desta forma, a energia mecânica
fornecida ao eixo, é armazenada no campo magnético da máquina para ser
transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina.
A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento
relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o
campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo,
provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de
Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor.
A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num
circuito elétrico é igual à variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É
importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao
fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no
interior de um solenoide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto
ou o solenóide movam-se, consumindo energia mecânica. Por esse motivo que
um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza
relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em
relação ao campo magnético.
A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi à direção da força
eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de
fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da
corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera.
Figura 6: Posição do Plano da Bobina de Fio, relativamente à Direção do Campo Magnético, e a
correspondente Força Eletromotriz Induzida.
11
3.0 QUESTÕES PRÁTICAS
3.1 TESTE PRÁTICO DO GERADOR CC
A partir de decisão coletiva do grupo, foi optado por elaborar dois
protótipos, sendo um com armadura bobinada, e outro de imã permanente na
armadura.
3.1.1 GERADOR CC DE ARMADURA BOBINADA
O protótipo a ser descrito a seguir era originalmente um motor
elétrico de uma sirene 220V. Com o motor original não houve valores
consideráveis na geração, então se viu a necessidade de realizar algumas
modificações na estrutura física do até então motor de escovas.
Por intermédio de estudos, lendo artigos relacionados ao assunto, foi
constatado que se aumentássemos o número de espiras na armadura haveria
um aumento no campo e consequentemente, o valor da tensão gerada.
Deste modo as bobinas de armadura do gerador foram rebobinadas
e passaram de 166 espiras para 270 e a bitola do fio reduzida de 21 para 23
AWG.
Figura 7 - Bobina nova com 270 espiras.
12
Figura 8 - Rebobinagem da armadura
Após feito as alterações necessárias no gerador, foram realizados
uma série de testes para a verificação da eficiência do mesmo.
Figura 9 - Gerador rebobinado e montado
3.1.2 TESTES NO PROTÓTIPO
Após feito o acoplamento do gerador ao motor utilizado para tração,
deu-se início aos testes práticos para verificação dos valores de tensão a vazio,
e tensão e corrente para uma carga específica, foram realizados também os
teste de variação da corrente de excitação e a vazio e com carga.
13
Figura 10- Gerador acoplado ao motor e pronto para os testes.
3.1.2.1 Teste de tensão a vazio
Neste teste, a saída está em aberto e é aumentada a rotação do
gerador gradativamente com excitação fixa, e mede-se a tensão na saída. A
excitação foi feita com uma fonte externa e os valor de tensão escolhido foi
12v. A partir dos dados retirados das leituras de tensão e velocidade, no gráfico
a seguir eixo Y é dado em V e o eixo X em RPM:
Figura 11- Gráfico de Tensão x Velocidade.
Nota-se que houve uma linearidade em relação do aumento da
tensão em comparação com a velocidade.
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5
10
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28
00
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00
34
00
Série1
14
3.1.2.2 Teste de tensão com carga
O teste de tensão com carga é feito da mesma forma que o teste
anterior, mas na saída é acoplado uma carga, no caso foi escolhido uma
lâmpada de 60W e 12vcc.
No gráfico a seguir eixo Y é dado em V e o eixo X em RPM:
Figura 12 - Gráfico da tensão na carga
Nota-se que neste teste o gerador não atende à carga que foi
imposta, a tensão máxima gerada foi de 10,34V e não 12 como a carga
necessitava. Nas condições estabelecidas o gerador teve capacidade de gerar
uma potência de 42,7W, e, portanto não suportou a carga que foi estipulada.
3.1.2.3 Teste de variação de corrente na excitação a vazio.
Para a execução deste teste, se mantém a velocidade fixa - neste
caso em 3600 RPM - e partir da corrente zero na excitação e ir aumentando a
partir de intervalos de valores, que para estes testes foi adotado o valor de
100mA por leitura. O valor máximo de corrente na fonte foi de 3,9A e a tensão
máxima gerada foi de 34,32V.
No gráfico a seguir eixo Y é dado em V e o eixo X em A, ao qual o
gerador se comporta em um formato linear para a geração de energia.
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00
Série1
15
Figura 13- Gráfico da tensão gerada variando a corrente de excitação (eixo x em V e eixo Y em A).
3.1.2.4 Teste de variação de corrente na excitação com carga.
Da mesma forma que o teste anteriormente citado, se mantém a
velocidade fixa e partir da corrente zero na excitação e ir aumentando a partir
de intervalos de valores, mas acrescenta-se uma carga na saída.
Os resultados, novamente não se mostraram satisfatórios, da
mesma forma que o experimento realizado na seção 7.1.1.2, o valor de
potencia gerada ficou abaixo do esperado. No gráfico a seguir eixo Y é dado
em V e o eixo X em A:
Figura 14 - Gráfico da tensão gerada variando a corrente de excitação com carga (eixo x em V e eixo Y em A).
0
5
10
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20
25
30
35
40
0,1 0,4 0,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 2,8 3,1 3,4 3,7
Série1
0
2
4
6
8
10
12
0,1 0,4 0,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 2,8 3,1 3,4 3,6
Série1
16
Durante o desenvolver deste experimento, aumentamos a tensão e
corrente de excitação acima do suportado pelo fio utilizado, para verificar se ele
conseguiria atender a carga. O teste foi bem sucedido, o gerador teve
capacidade geradora para manter a carga com 12V e 60W, o problema é que
para isso acontecer foi necessário uma tensão de excitação de 16V e corrente
de 4,6A.
Portanto este gerador não atendeu aos parâmetros necessários para
a utilização do mesmo, pelo fato de ele consumir mais energia para gerar do
que ele mesmo produz.
3.1.3 GERADOR COM IMÃS PERMANENTES NO ESTATOR
A realização deste protótipo se deu com base em um motor de
esteira, cujo induzido estava danificado por sobrecarga e com curto circuito no
coletor.
Seu estator é de imãs permanentes, motivo o qual nos deu um
incentivo a mais de tentar recuperar o mesmo para que pudéssemos ter duas
alternativas de geração diferentes. Este tipo de gerador possui a desvantagem
de ser controlado apenas por velocidade, então a sua tensão de geração é
completamente dependente da velocidade em que seu eixo gira, e Não
também da tensão de excitação como é nos geradores convencionais.
Figura 15 - Estator de imãs permanentes.
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O induzido que foi substituído no lugar do queimado é de um
alternador de mesma potência, 1,5 HP, e os resultados realizando testes foram
extremamente satisfatórios.
Para comprovar a eficiência, o mesmo foi submetido a uma gama de
testes. Para estes testes serem executados, o gerador foi acoplado a um motor
que foi utilizado como fonte de tração para o movimento.
3.1.4 TESTES NO PROTÓTIPO
Os testes realizados no gerador foram feitos aumentando a rotação
gradativamente e verificando a tensão de saída gerada.
Figura 16 - Motor acoplado ao gerador
3.1.4.1 Teste de tensão a vazio
Da mesma forma que no teste com o protótipo de estator bobinado,
o gerador foi submetido a vários valores de velocidade e foram retirados os
valores de tensão gerados. No gráfico a seguir eixo Y é dado em V e o eixo X
em RPM:
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Figura 17 - Gráfico da tensão a vazio gerada
Nota-se se que em comparação com o outro protótipo produzido,
este gerador alcança um valor de tensão aproximadamente igual, mais cum
uma rotação bem menos elevada.
3.1.4.2 Teste de tensão com carga
Neste experimento a velocidade é aumentada a forma de verificar a
tensão gerada na saída, sendo que o gerador está acoplado a uma carga. Esta
carga é a mesma utilizada nos testes com o protótipo de estator bobinado.
Figura 18 - Teste com carga.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Série1
19
Os valores obtidos neste teste vão além do esperado, pois com
apenas 1000 RPM a potencia gerada já tinha ultrapassado o valor da carga. No
gráfico a seguir eixo Y é dado em V e o eixo X em RPM:
Figura 19 - Gráfico da tensão gerada com carga
A partir deste teste foi extraída uma gama de dados que
comprovaram que este gerador atendeu completamente as expectativas.
Figura 20 - Gráfico da Potência Gerada
Com a velocidade de 1000 RPM o gerador entregou a carga 73W, ou seja,
mais do que era necessário para atender a mesma.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950
Série1
-40
-20
0
20
40
60
80
Potência ativa (W)
Potência aparente(VA)
Potência reativa(VAR)
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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O método de geração com estator bobinado se mostrou insuficiente
para atender a carga em questão. O fator associado a este problema seria a
capacidade de geração do protótipo que foi observado.
O gerador de imãs permanentes por outro lado, se mostrou muito
eficiente e eficaz, desempenhando muito bem sua função. O único problema do
mesmo, como já foi citado, é que para varia a tensão na carga é necessária
variar a rotação, sendo que ele depende exclusivamente dela, por seu
processo de excitação vem de imãs na armadura.
Tendo por base os testes, o gerador de imãs permanentes se
apresentou como uma melhor forma de atender a carga que foi escolhida.
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5. REFERÊNCIAS BIBBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, José Luiz Antunes de. Eletrônica de potência. 4.ed. São
Paulo: Livros Erica Ed., 1991. 297, [2]p
FITZGERALD, A. E; KINGSLEY, Charles; UMANS, Stephen
D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6.ed
Porto Alegre: Bookman, 2007. 648p.
MARTIGNONI, Alfonso. Máquinas elétricas de corrente
contínua. Porto Alegre: Globo, 1971. xii, 257 p.
BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. 3. ed. Florianópolis: Ed. do Autor,
2000. vi, 408 p. ISBN 8590104621.
NASCIMENTO JUNIOR, Geraldo Carvalho do. Máquinas
elétricas: teoria e ensaios. 3. ed. São Paulo: Érica, 2010 260 p. ISBN
9788536501260
