Geradores Cc

GERADORES CC

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Gerador de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica. Como exemplos de geradores de corrente continua, temos os dínamos, as pilhas, etc. Na figura 1, ilustramos um circuito esquemático que faz uso de um gerador de corrente contínua, pode ser uma pilha e uma resistência ou uma lâmpada.

figura 1

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No gerador de corrente contínua o enrolamento do estator (também conhecido como enrolamento de campo) é excitado por uma fonte de corrente contínua e no eixo do rotor impõe-se um torque mecânico. Quando o enrolamento do rotor (o rotor é conhecido também como armadura ou induzido) corta as linhas de força uma f.e.m. é induzida nele, obedecendo a lei de Faraday. A f.e.m. induzida é alternada (senoidal), mas por meio de uma retificação mecânica (comutador) é transformada em corrente contínua. A Figura mostra um gerador elementar.

Partes constituintes da máquina de corrente contínua

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Rotor (armadura) Parte girante da máquina, montada sobre o eixo da máquina, construído de um material ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. 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.

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Anel Comutador Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura, 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.

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A ação de converter a corrente alternada para contínua é denominada comutação. Uma tensão pulsante, embora contínua, não é suficiente para alimentar equipamentos de corrente contínua. Para produzir uma corrente contínua mais constante, devem ser adicionadas mais bobinas à armadura.

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Estator (Campo ou excitação) 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 da armadura.

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Escovas Peças de carvão responsáveis por conduzir a energia para o circuito do rotor.

Princípio de Funcionamento

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A indução eletromagnética é a base do funcionamento dos geradores elétricos. Cada gerador produz, por natureza, uma corrente alternada. Ao girar-se uma espira condutora (ou bobina) imersa em um campo magnético, aparece em seus terminais, uma tensão e corrente alternadas e senoidais com freqüência dependente da velocidade de giro. Para se transformar essa tensão em alternada em contínua usa-se o artifício mecânico chamado de comutador.

Circuito equivalente de um gerador CC

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Onde temos: Raj Resistência externa ajustável para controle do fluxo de campo. Rf e Lf Representam as bobinas que produzem o fluxo magnético no gerador. Rf em geral é muito baixo. Ea e Ra Representam o modelo Thevenin completo de toda estrutura do rotor. Ea é a fonte de tensão ideal que representa a armadura e Ra as perdas.

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Ve Tensão usada para representar a queda de tensão nas escovas. Normalmente é incluída em Ra. F1 e F2 Terminais do circuito de campo. A1 e A2 Terminais da armadura Vf Tensão no circuito de campo Vt Tensão nos terminais de armadura RF O equivalente de Raj+Rf

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Características básicas A tensão de armadura Ea é diretamente proporcional ao fluxo no gerador e à velocidade de rotação.

Gerador CC independente 

Chamamos de independentes os geradores CC onde a corrente de campo é fornecida por um circuito externo.

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Podemos relacionar a tensão terminal Vt com a corrente de carga Ia para uma velocidade de rotação constante Um aumento de carga causa queda de tensão terminal. Se este gerador não possuir bobinas de compensação, o efeito de armadura tornará mais acentuada essa queda de tensão. Para corrigir e controlar a tensão terminal podemos aumentar a rotação do motor ou aumentar a corrente de campo.

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- Gerador / Motor de corrente contínua com excitação independente: Potência: 0,5 KW; Tensão de Armadura: 170 Vcc; Tensão de excitação: 190 Vcc; Velocidade: 1800 rpm; Grau de proteção: IP 22; Ligações: Série / Shunt / Compound; Funciona como motor e como gerador

Gerador CC Shunt

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É o gerador que alimenta sua própria corrente de campo por ter seu circuito de campo diretamente conectado à tensão terminal da máquina.

Circuito equivalente do gerador CC Shunt

Auto-excitação do Gerador Shunt 

Supondo o gerador à vazio, a subida da tensão no gerador depende da presença de um fluxo residual nos pólos do gerador. Quando ele começa a girar, uma tensão interna começará a ser gerada.

Problemas na auto-excitação do gerador CC shunt 

Não há fluxo magnético residual

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Não havendo fluxo residual, teremos Ea=0 e a tensão não subirá. Neste caso, desconectamos o campo do circuito de armadura e conectamos a uma bateria. Esta corrente criará o fluxo residual necessário à partida normal dos pólos. Método conhecido nacionalmente como "chupeta" e mundialmente como "flashing the field".

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Direção de rotação reversa ou correções de campo reverso

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Neste caso o fluxo residual cria Ea que gera um fluxo oposto ao fluxo residual ao invés de somá-lo. Devemos inverter o sentido de rotação ou alterar as conexões de campo ou ainda realizar a "chupeta" com polaridade inversa.

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Circuito de campo ou armadura abertos

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Deve-se desconectar os circuitos e realizar um teste de continuidade.

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Resistência de campo ajustada a um valor muito alto

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A tensão terminal cresce até que a curva de magnetização intercepte a curva de resistência de campo. A resistência crítica R2 causa que pequenas mudanças de R2 ou Ia causam uma variação enorme de Vt. E para valores maiores como R3, a tensão nunca sobe. A solução é reduzir Rf. Como a curva de magnetização varia com a velocidade do eixo, a resistência varia com a velocidade. Quanto menor a velocidade, menor deverá ser a resistência crítica Rc.

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Gerador CC Composto 

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Neste tipo de gerador estão presentes os dois circuitos de campo. A força magneto motriz deles podem ser combinadas de forma Aditiva ou Subtrativa. A posição do circuito paralelo também classifica o gerador CC composto como paralelo-longo ou paralelo-curto

Circuito equivalente do gerador CC composto

Gerador CC Composto Paralelo-Longo

Gerador CC Composto Paralelo-Curto

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Os pontos sobre as bobinas de campo paralela e série têm o mesmo significado dos utilizados em transformadores: "Ambas correntes entrando(ou saindo) nos pontos significa polaridade Aditiva".

Gerador CC Composto Aditivo longo Característica da tensão terminal Se supormos um aumento de carga, teremos um aumento de Il e conseqüentemente uma aumento de Ia. Neste ponto dois efeitos podem ser observados: 

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Com o aumento, de Ia aumenta a queda de tensão em Ia(Ra+Rs) e a tensão terminal Vt tende a cair. Com o aumento e Ia, a f.m.m. do ramos série aumenta o fluxo do gerador e com isso aumenta Ea. Este aumento tende a elevar a tensão terminal Vt.

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O efeito predominante é regido pelo número de voltas do ramo série, Nse. As possibilidades são: Hipocomposto Neste caso há um número pequeno de voltas na bobina série(Nse pequeno), com isto o efeito da queda de tensão prevalece e Vt cai como em um gerador paralelo de uma forma mais lenta.

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Planocomposto

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Neste caso há uma predominância inicial do efeito do campo série e Vt aumenta com o aumento de carga. Porém ao se atingir a saturação magnética o efeito da queda de tensão se torna predominante. Hipercomposto Neste caso há um grande número de voltas no campo série. Assim o efeito predominante é o efeito série.

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Gerador composto com resistor de drenagem

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Se inserirmos uma resistência variável em paralelo com o circuito de campo série, podemos obter todas as configurações dadas acima.

Gerador CC Série 

É o gerador que possui seu circuito de campo ligado em série com o circuito de armadura. Como a corrente de campo é muito alta, suas bobinas possuem menos voltas, são feitas de fio grosso e menor resistência possível.

Circuito equivalente do gerador CC série

Características terminais

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Ao operar a vazio a tensão terminal será dada pelo valor de fluxo residual na máquina, pois não haverá corrente de campo. Quando a corrente de carga aumenta a tensão terminal se eleva bem mais rápido que a queda de tensão Ia⋅(Ra+Rf). Quanto atinge a saturação, a queda de tensão passa a ser mais acentuada e a tensão terminal passa a cair.

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O gerador CC série é um péssimo gerador de tensão contínua e é usado apenas em poucas aplicações específicas como geração de arcos voltaicos onde seus terminais são curto-circuitados para se obter uma alto valor de corrente.