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.
ESTUDAREMOS NESSA SEÇÃO OS VÁRIOS TIPOS DE
MÁQUINAS CC UTILIZADAS COMO GERADOR.
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;
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.
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:
E A  KωΦ
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:
Fmm  N F I F
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 nãolinear.
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 E A  KωΦ. Constata-se a partir da fórmula
que para uma dada velocidade de rotação, a
tensão interna gerada depende diretamente do
fluxo.
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
quantidades de saída entre si.
um
gráfico
das
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 com excitação independente
Exercício:
Um gerador com excitação independente com
enrolamentos de compensação possui as seguintes
especificações: 172 kW, 430 V, 400 A e 1800 rpm.
Esta máquina possui as seguintes características:
RA = 0.05 Ω
espiras/polo
Radj= 0 a 300 Ω
RF = 20 Ω
VF=430 V NF= 1000
Exercício:
A curva de magnetização é:
Exercício:
(a)Se o resistor variável Radj no circuito de campo
do gerador é ajustado em 63 Ω e a máquina
primária do gerador é acionada a 1600 rpm,
qual é a tensão terminal do gerador sem carga
?
(b)Qual deve ser sua tensão se uma carga de1Ω é
conectada em seus teminais?
(c) Qual ajuste deve ser feito no gerador para
restaurar sua terminal ao valor encontrado em
(a)
Exercício:
(d) Qual deve ser a corrente de campo necessária
para restaurar a terminal para o valor sem carga
? Qual é o valor necessário para o resistor Radj
realizar isto ?
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
Características terminais
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:
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:
FT =FSH +FSE
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 hipercomposto, 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.
FLUXO DE POTÊNCIA NOS DOIS MODOS DE
OPERAÇÃO
FLUXO DE POTÊNCIA PARA MOTOR