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MÁQUINAS ELÉTRICAS
 
Máquina de Corrente Contínua - GERADOR DC
 
Os geradores de corrente contínua são máquinas cc/dc usadas
como geradores. É importante lembrar que não existe
diferença entre o gerador e o motor, exceto pela direção do
fluxo de potência.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MÁQUINAS ELÉTRICAS
 
Existem cinco tipos de geradores cc (corrente contínua) que
são classificados de acordo com a maneira pela qual o fluxo de
campo é produzido:
 
1.) Gerador de excitação separada: nesse tipo, o fluxo de
campo é produzido por uma fonte de potência separada
independente do próprio do gerador;
 
2.) Gerador shunt: o fluxo de campo é produzido através da
conexão do circuito de campo diretamente aos terminais do
gerador;
 
 
 
 
 
 
 
Carregando…
 
3.) Gerador série: O fluxo de campo é produzido pela conexão
do circuito de campo em série com a armadura do gerador;
 
4.) Gerador composto cumulativo: ambos campos shunt e
série estão presentes e seus efeitos são aditivos;
 
5.) Gerador composto diferencial: ambos campos série e
shunt estão presentes e seus são subtrativos.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuito equivalente de um gerador cc
 
 
 
 
 
 
 
 
O circuito de armadura por uma fonte ideal e por um resistor.
Esta representação é o circuito equivalente do circuito do rotor.
 
A queda de tensão nas escovas é representada por uma bateria
em oposição ao fluxo de corrente na máquina.
 
 
 
 
 
Carregando…
 
O enrolamento de campo responsável pela produção do fluxo
magnético no gerador é representado por um indutor Lf e por
um resistor Rf.
 
Existe poucas variações e simplificações do circuito
equivalente básico.
 
OBS: A queda de tensão nas escovas corresponde a uma
pequena fração da tensão gerada na máquina.
 
Em alguns casos, esse valor pode ser desprezado.
 
 
 
 
 
 
 
 
Em algumas situações, a resistência interna do
enrolamento de campo é associada com a resistência
externa (controle da corrente de campo) e a resistência
total é chamada de RF .
 
A curva de magnetização de um gerador cc
 
A tensão interna gerada EA de um gerador cc
é dada por:
 
 
 
ω – velocidade de rotação
Φ – fluxo produzido pelo enrolamento de campo
K – constante que depende de aspectos construtivos
 
 
 
 
 
Um esboço da curva de magnetização de um gerador cc é
mostrada abaixo:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um esboço da curva de magnetização de um gerador cc é
mostrada abaixo, porém trata-se de uma curva mostrando a
tensão em função do fluxo magnético:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A corrente de campo no gerador produz uma força
magnetomotriz dada por:
 
 
 
 
A força magnetomotriz produz um fluxo na máquina de acordo
com a sua curva de magnetização.
 
Como a tensão interna gerada depende do fluxo magnético, é
mais comum traçar um gráfico da tensão interna versus a
corrente de campo.
 
Observa-se que trata-se de uma relação não-linear.
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Sabemos que uma forma de classificar os geradores cc está
baseada no modo pelo qual o enrolamento de campo é
excitado.
 
O objetivo da excitação do enrolamento de campo é
estabelecer um valor de fluxo magnético para produção da
tensão conforme fórmula da tensão . Constata-se
a partir da fórmula que para uma dada velocidade de rotação, a
tensão interna gerada depende diretamente do fluxo.
 
 
 
 
 
 
 
Carregando…
 
Gerador com excitação independente
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Com base na figura pode-se verificar que neste gerador, a
corrente de campo é fornecida por uma fonte de tensão cc
externa.
 
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
 
ATENÇÃO A NOMENCLATURA
 
A tensão (VT )é a tensão de saída medida nos terminais do
gerador.
 
A corrente IL representa a corrente fluindo na linha conectada
aos terminais do gerador.
 
A tensão EA é a tensão interna gerada no enrolamento de
armadura localizado no rotor.
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
 
Características terminais do gerador
 
A característica terminal é um gráfico das quantidades de saída
entre si.
 
Para o gerador cc, as quantidades de saída são: a tensão
terminal e a corrente de linha. Trata-se de um gráfico da tensão
terminal versus corrente de linha.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Características terminais do gerador
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs: É importante observar que a característica terminal não é
sempre precisa.
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Nos geradores sem enrolamento de compensação, um aumento
da corrente de armadura causa um aumento na reação de
armadura (fluxo produzido pela corrente no circuito do rotor).
 
Esta reação de armadura é responsável pelo enfraquecimento
do fluxo principal da máquina.
 
Com o decréscimo do fluxo, ocorre a redução da tensão
interna. Nesse caso, estamos considerando que a velocidade da
máquina primária é constante (ω constante).
 
 
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Controle da tensão terminal
 
A tensão terminal de um gerador de excitação separada pode
ser controlada pela mudança da tensão interna gerada EA .
 
As possibilidades de controle da tensão do gerador são:
 
1.Mudança na velocidade de rotação: Se ω aumenta então EA:
EA=KΦω
 
 
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Controle da tensão terminal
 
Como consequência, a tensão terminal também
aumenta.
 
VT= EA – RA IA
 
2. Variando a corrente de campo: Se a resistência que controla
a corrente de campo (RF) for reduzida, a corrente de campo
aumenta, aumentando também o valor do fluxo Φ. Se o fluxo
aumenta então:
EA=KΦ ω
 
 
 
 
 
 
Gerador com excitação independente
 
Controle da tensão terminal
 
Em muitas aplicações a velocidade da máquina primária é
mantida constante e o controle da tensão terminal é realizado
através da variação da corrente de campo.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Trata-se de um gerador que supre sua própria corrente de
campo por ter seu enrolamento de campo conectado
diretamente através dos terminais da máquina.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
A vantagem que ele apresenta em relação ao gerador cc de
excitação separada é que ele não precisa de nenhuma fonte de
potência externa para suprir o circuito de campo.
 
 
Se o gerador supre seu próprio circuito de campo, como é
possível obter o fluxo de campo inicial para a partida quando
ele é ligado pela primeira vez?
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Procedimento para a auto-excitação de um gerador shunt.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Alguns fatores podem ser impeditivos no aumento da tensão
do gerador shunt:
 
1.) Pode não existir o fluxo residual no gerador para que o
processo seja desencadeado. Para corrigir esse problema,
desconecte o circuito de campo do circuito de armadura e o
conecte diretamente em uma fonte de potência cc como uma
bateria.
 
2.) A direção de rotação pode ter sido trocada, ou a conexão do
enrolamento de campo. A tensão EA
produz uma corrente de campo a qual produz um fluxo em
oposição ao fluxo residual.
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Alguns fatores podem ser impeditivos no aumento da tensão
do gerador shunt:
 
3.) A resistência de campo ajustada a um valor maior que o
valor da resistência crítica. Normalmente no processo de
elevação de tensão, a tensão final corresponde a intersecção
entre a curva de magnetização e a reta que representa a
resistência de campo.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Característicasterminais
 
A característica terminal de um gerador shunt cc difere
daquela apresentada pelo gerador de excitação separada.
 
Isto ocorre porque a quantidade de corrente de campo na
máquina depende da sua tensão terminal.
 
Para compreender a característica terminal de um gerador
shunt, liga-se a máquina sem carga e coloca-se carga aos
poucos para verificar o que acontece.
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Características terminais
 
À medida que a carga do gerador aumenta, a corrente de
armadura também aumenta.
 
Um aumento na corrente de armadura, causa um aumento da
queda de tensão na resistência do circuito de armadura.
 
Em função do decréscimo da tensão terminal, a corrente de
campo também diminui.
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SHUNT CC
 
Características terminais
 
O fluxo na máquina também diminui, o que implica
diminuição da tensão interna gerada.
 
O decréscimo da tensão interna gerada favorece ainda mais a
redução da tensão terminal.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SÉRIE CC
 
Um gerador série é aquele cujo enrolamento de campo está
conectado em série com o enrolamento de armadura.
 
Nesse gerador, o enrolamento série é constituído por pouca
espiras. Isto é o contrário do campo shunt que possui muitas
espiras.
 
No campo série, a seção transversal dos condutores também é
maior do que no campo shunt.
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR SÉRIE CC
 
O circuito equivalente do gerador série é mostrado abaixo:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Carregando…
GERADOR SÉRIE CC
 
A característica terminal é mostrada na figura abaixo:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
Um gerador cc composto cumulativo é um gerador cc com
ambos campos shunt e série conectados de tal maneira que as
forças magnetomotrizes dos dois campos se somam.
 
Existem dois tipos de circuitos que representam o
comportamento do gerador composto:
 
● Shunt longa
 
● Shunt curta
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
A força magnetomotriz total, desconsiderando o efeito da
reação de armadura é:
 
 
 
Em que o primeiro termo é a força magnetomotriz total, o
segundo a força magnetomotriz produzida pelo enrolamento
de campo shunt e o terceiro termo a força magnetomotriz
produzida pelo enrolamento série.
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
O circuito equivalente que representa o comportamento desta
máquina é mostrado abaixo:
 
 
 
 
 
 
 
 SHUNT LONGA SHUNT CURTA
 
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
Características terminais de um gerador composto
cumulativo
 
Suponha que a carga do gerador é elevada. Então quando a
carga aumenta, a corrente de carga também aumenta.
 
Desde que IA = IL + IF então a corrente de armadura
também aumenta.
 
Dois efeitos ocorrem no gerador:
 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
● Quando a corrente de armadura aumenta, a queda de tensão
IA (RA +RS ),também aumenta. Isto tende causar a redução da
tensão terminal VT = EA-IA (RA +RS ).
 
● Quando a corrente de armadura aumenta, a força
magnetomotriz produzida pelo campo série FSE =NSE IA
também aumenta. Isto aumenta a força magnetomotriz total
FT=NSHIF+NSEIA , o que aumenta o fluxo no gerador.
 
● O fluxo elevado aumenta a tensão interna EA, o que tende a
aumentar a tensão terminal VT=EA – IA (RA +RS ). 
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
É importante observar que os dois efeitos se opõem entre si,
um tende a aumentar a tensão terminal e o outro tende a
reduzi-la. Qual efeito predomina na máquina ?
 
Isto depende de quantas espiras são colocadas no enrolamento
de campo série, que resultam em três tipos de comportamento.
 
● Hiper-composto
 
● Composto normal
 
● Hipo-composto
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO CUMULATIVO
 
 
 
 
 
 
 
 
A primeira curva se refere ao gerador hiper-composto, a
segunda curva se refere ao composto normal e a terceira ao
hipo-composto.
 
Obs: O gráfico também compara o gerador composto
cumulativo com o gerador shunt.
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO
 
Gerador Composto Diferencial
 
Trata-se de um gerador com ambos campos shunt e série.
Entretanto a força magnetomotriz resultante é a diferença entre
as forças magnetomotrizes do campo shunt e do campo série,
nesta ordem.
 
FT=FSH – FSE
 
Onde o primeiro termo é a força magnetomotriz total, o
segundo a força magnetomotriz do campo shunt e a terceira a
do campo série.
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO
 
Característica terminal de um gerador composto
diferencial
 
● Quando a corrente de armadura aumenta, IA (RA +RS )a
queda aumenta também. Este aumente tende causar a redução
da tensão terminal VT=EA – IA (RA +RS ).
 
● Quando a corrente de armadura aumenta a força
magnetomoriz do campo série aumenta FSE =NSE IA .
 
● Este aumento da força magnetomotriz do campo série reduz
a força magnetomotriz total do gerador.
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO
 
Característica terminal de um gerador composto
diferencial
 
FT = FSH – FSE
 
Ocorre também a redução do fluxo líquido no gerador, o que
causa a redução da tensão interna e também da tensão
terminal.
 
EA = KΦω
 
Ambos efeitos tendem a reduzir a tensão terminal VT
 
 
 
 
 
 
GERADOR COMPOSTO DIFERENCIAL
 
Gráfico do comportamento da tensão terminal
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE
OPERAÇÃO
 
 
 
 
 
 
 
FLUXO DE POTÊNCIA PARA GERADOR
Perdas no núcleo: são as perdas por histerese e correntes
parasitas no metal do motor. Essas perdas variam com o
quadrado da densidade de fluxo.
 
Perdas mecânicas: são as perdas associadas aos efeitos
mecânicos. Perdas por atrito e ventilação.
 
 
 
 
FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE
OPERAÇÃO
 
Stray losses: São perdas que não são colocadas nas
categorias anteriores. Por convenção, equivalem a 1% da
potência de plena carga (CHAPMAN).
 
Perdas elétricas ou no cobre: São perdas que ocorrem nos
enrolamentos de campo e de armadura da máquina.