CAT124 - AULA 04 e 05 Maquinas de Corrente Contínua - Geradores

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Prof. João Carlos Vilela 
joaocarlosvilela@gmail.com 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM GERADOR 
ELÉTRICO 
 O gerador elétrico mais simples é 
representado na figura ao lado. 
 Consiste de um ímã permanente em 
ferradura, 𝑁𝑆, e um condutor, 𝑎𝑏. 
 Se o condutor move para cima e para 
baixo, alternadamente, este corta 
linhas de força. 
 Gera-se então no condutor uma f.e.m. 
que dará origem a uma corrente 
elétrica no circuito fechado 𝑎𝑏𝑐𝑑. 
 
 A f.e.m. se inverte quando se inverte o sentido do movimento do condutor 
gerando-se assim uma corrente, chamada de corrente é alternada. 
 
ANEL DE GRAMME 
 Pode-se modificar o maneira como o induzido é enrolado e a maneira com que 
a f.e.m. é coletada de modo a se produzir um gerador de corrente contínua. 
 Um método para isso é o chamado Anel 
de Gramme. 
 Os pólos apresentam uma cavidade, e, 
concêntrico com as faces polares, coloca-se 
um núcleo de ferro, em forma de anel, 
para diminuir a relutância do circuito 
magnético. 
 Os diversos condutores 𝑐, montados sobre 
este núcleo, giram com ele e cortam as 
linhas de força que passam de N a S, de 
modo que nestes condutores são geradas 
f.e.m. em sentidos determinados pela regra 
da mão direita. 
ANEL DE GRAMME 
 Os condutores se ligam entre si formando uma hélice sem fim. 
 As linhas de força passam através do núcleo de ferro, ao invés de 
atravessarem o espaço central de ar que fica dentro do núcleo. 
 Os condutores interiores não cortam 
nenhuma linha, assim, só os 
condutores de frente às faces 
polares (condutores ativos), gerarão 
f.e.ms. 
 Estas f.e.ms. tendem a enviar 
correntes de 𝑔 a 𝑓 por ambos os 
lados do enrolamento. 
 porém não circulará corrente, 
porque a f.e.m. gerada à esquerda 
anulará a f.e.m. gerada à direita. 
 
ANEL DE GRAMME 
 Entretanto, entre 𝑓 e 𝑔 será produzida uma d.d.p.; 
 Se forem colocadas entre esses dois pontos escovas fixas 𝑩, de modo que 
efetuem um contato elétrico permanente com o enrolamento, e se liguem a um 
circuito externo, circulará uma corrente neste circuito. 
 Metade da corrente circulará por cada um 
dos lados do enrolamento. 
 Enquanto o gerador girar com velocidade 
constante, a voltagem entre 𝑓 e 𝑔 será 
constante em grandeza e sentido. 
 Seja 𝐸𝑐 a voltagem média gerada em cada 
condutor, e 𝑍 o número total de condutores 
situados em frente às faces polares, então a 
voltagem 𝐸𝑔 gerada entre os terminais 
será: 
𝐸𝑔 =
𝑍
2
𝐸𝑐 
ANEL DE GRAMME 
 A corrente de linha 𝐼𝑙 será: 
 
 
 
 
 
 A corrente em cada condutor será de: 
 
 
 A potência fornecida pela máquina: 
𝐼𝑙 =
𝐸𝑔
𝑅 + 𝑅𝑎 
 amperes 
𝐼𝑐 =
1
2
𝐼𝑙 amperes 
𝑃 = 𝐸𝑔𝐼𝑙 − 𝐼𝑙
2𝑅𝑎 watts 
Escovas e Coletor 
 As primeiras máquinas a serem construídas possuíam os contatos fixos 𝐵 − e 
𝐵 +, chamados escovas, atritavam sobre o enrolamento; 
 Com isso, os enrolamentos eram logo destruídos pelas escovas. 
 Para sanar tal problema, dispõe-se sobre cada bobina um contato especial 
de atrito, como representado esquematicamente nas figuras 
Coletores 
Escovas 
Escovas e Coletor 
 O conjunto dos contatos de atrito formam o coletor; 
 Os contatos individuais (𝑠) são os segmentos do coletor. 
 O núcleo e o enrolamento juntos constituem o que se denomina 
induzido da máquina. 
 
ENROLAMENTOS MULTIPOLARES 
 É mais econômico na prática construir máquinas com mais de dois 
polos. 
 Estes polos são construídos em pares alternados N e S. 
 Um esquema de um gerador tetrapolar é apresentado a seguir: 
 
ENROLAMENTOS MULTIPOLARES 
 As voltagens nos condutores que se acham sob os polos N são 
iguais e opostas as voltagens nos condutores que se acham sob 
os polos S. 
 Aparecerá entre 𝑎 e 𝑏 uma diferença de potencial devida aos 
condutores que cortam as linhas de força sob o pólo 𝑆1. 
 Da mesma forma existe uma diferença de potencial igual, entre 
𝑎 e 𝑑. 
 Pode-se concluir que 𝑎 e 𝑐 se encontram com o mesmo potencial. 
 Por analogia, 𝑏 e 𝑑 também terão o mesmo potencial 
ENROLAMENTOS MÚLTIPLOS OU IMBRICADOS 
 No enrolamento tipo anel de Gramme somente os condutores externos (1, 3, 
5, ...) cortam linhas de força (figura esquerda). 
 Uma forma de tornar o enrolamento mais eficiente, é enrolar as espiras de 
modo que haja 2 condutores ativos por espira, como na figura à direita 
ENROLAMENTOS MÚLTIPLOS OU IMBRICADOS 
 O passo da espira deve ser aproximadamente igual ao passo 
polar 
 Ou seja: a distância entre os condutores 1 e 2 se faz aproximadamente 
igual à distância entre os centros de dois pólos contíguos. 
 Dessa forma, as f.e.ms. induzidas nos dois condutores ativos de 
uma espira qualquer atuarão no mesmo sentido no circuito da 
espira, de modo que a f.e.m. total por espira é o dobro da que 
é obtida com o enrolamento em anel Gramme . 
 Outra vantagem está na facilidade com que é o enrolamento é 
enrolado ou reparado. 
ENROLAMENTOS MÚLTIPLOS OU IMBRICADOS 
 A figura abaixo representa este tipo o enrolamento, de uma 
outra forma: 
ENROLAMENTOS MÚLTIPLOS OU IMBRICADOS 
 Os condutores são alojados em ranhuras cavadas na superfície 
do núcleo de ferro. 
 Em geral os condutores com números pares são colocados 
debaixo dos com números ímpar. 
 As escovas positivas são espaçadas de 120 graus e ligadas 
entre si (para o caso de 6 polos). 
 De maneira análogas as escovas negativas são espaçadas e 
ligadas 
 Na figura, há seis ranhuras por polo e 2 condutores pra cada 
ranhura; 
 Geradores utilizados na prática possuem mais de 9 ranhuras por 
polo, com 4, 6, 8 ou mais condutores por ranhura. 
ENROLAMENTOS MÚLTIPLOS OU IMBRICADOS 
 Outra forma de representar: 
ENROLAMENTOS ONDULADOS OU EM SÉRIE 
 Outra forma de enrolar o induzido de um gerador de corrente contínua é 
mostrado na figura a seguir: 
 
ENROLAMENTOS ONDULADOS OU EM SÉRIE 
 Só existem 2 percursos não 
importando o no de polos. 
 1 percurso vai de a para b no 
sentido horário. 
 O outro vai no sentido contrário; 
 Assim, só existe um ponto de 
potencial alto e um ponto de 
potencial baixo. 
 Com isso é necessário apenas 
duas escovas. 
 Porém em geral se utiliza um 
número de escovas igual ao 
número de pólos; 
 
ENROLAMENTOS ONDULADOS OU EM SÉRIE 
 Utilizando-se mais escovas, 
divide-se a corrente entre as 
escovas; 
 Consequentemente menor 
quantidade de cobre é gasta 
no coletor. 
EQUAÇÃO DA FORÇA ELETROMOTRIZ 
 Sendo: 
 𝜙 → no total de linhas de fluxo por polo; 
 𝑍 → no total de condutores ativos; 
 
NÚMEROS DE POLOS DE UM GERADOR 
 Como visto um gerador pode possuir de 2 a vários pólos. 
 A figura mostra uma máquina bipolar e uma máquina hexapolar. 
 
NÚMEROS DE POLOS DE UM GERADOR 
 Considerando que as máquinas foram projetadas 
para terem a mesma potência: 
 Têm o induzido de mesmo diâmetro; 
 Têm o mesmo número de linhas de força que 
atravessam o entreferro; 
 
 Como na maquina hexapolar o fluxo se divide 
em 6 segmentos, a espessura do núcleo do 
induzido e da carcaça será somente a terça 
parte da maquina bipolar. 
 
 Há assim uma economia no material para a 
construção da máquina hexapolar. 
CLASSIFICAÇÃO DE UM GERADOR QUANTO A SEU 
TIPO DE EXCITAÇÃO 
 Alguns geradores de pequeno porte, chamados magnetos, 
utilizam como polos de excitação imãs permanentes; 
 Mas a grande maioria dos geradores utilizam como polos de 
excitação eletroímãs, que podem ter sua intensidade
ajustada 
através da corrente que passa nas bobinas de excitação. 
 Podem-se classificar como: 
 Auto excitado: o próprio gerador fornece a corrente de excitação; 
 Excitação independente: corrente de excitação é fornecida por fonte 
externa. 
 Existem diversos métodos de excitação, cada um com uma 
característica de funcionamento diferente. 
TEORIA DA COMUTAÇÃO 
 Quando cada bobina passa por uma escova, a corrente se 
inverte repentinamente; 
 Cria-se com isso uma f.e.m. de auto-indução que é inversamente 
proporcional ao tempo de inversão da bobina. 
 Com isso a corrente continua circulando do segmento para a 
escova mesmo depois de ter desfeito o contato, gerando um arco 
elétrico. 
 Os arcos elétricos danificam os contatores, e não são desejáveis. 
TEORIA DA COMUTAÇÃO 
 
COMUTAÇÃO – USO DO INTERPOLO 
 Para diminuir o arco elétrico é desejável que os contatos da escova possuam 
uma resistência apreciável. 
 Porém somente isso não é suficiente para sanar o problema. 
 Para sanar o problema, coloca-se um pólo (chamado de interpolo ou polo de 
comutação entre dois pólos. 
 Este pólo é produzido 
com a própria corrente 
que sai da escova para 
a carga. 
 O sentido do campo do 
interpolo é oposto ao 
polo que antecede a este. 
REAÇÃO DO INDUZIDO 
 EFEITO MAGNETIZANTE TRANSVERSAL 
 Ao se gerar corrente nos condutores do induzido, gera-se um campo no sentido 
mostrado pela figura (b). 
 Como este campo tem sentido transversal ao campo produzido pelas bobinas de 
excitação (a) este efeito é chamado efeito magnetizante transversal. 
 A soma destes 2 campos produzirá um campo resultante como mostrado em (c). 
EFEITO DESMAGNETIZANTE 
 Para um gerador com interpolos, o único efeito produzido pela 
reação do induzido e o efeito magnetizante transversal. 
 Porém se muitas vezes não se utiliza interpolos, e sim desloca-se 
as escovas no sentido da rotação no sentido de melhorar a 
comutação. 
 Esse campo, produzido pela corrente da bobina move-se com as 
escovas, não ficando mais transversal, e sim inclinado no sentido 
de rotação. 
 Pode-se considerar este campo como resultante de dois campos 
magnéticos: 
 Um transversal → campo magnetizante transversal {sentido 𝑜𝑦 na figura (b)}; 
 Um no sentido 𝑜𝑥 → campo desmagnetizante { figura (c) } 
EFEITO DESMAGNETIZANTE 
 
CARACTERÍSTICAS DOS GERADORES DE CORRENTE 
CONTÍNUA 
 A voltagem gerada no enrolamento do induzido será: 
 
𝐸0 = 𝐾𝑛𝜙 
 
 sendo: 𝐸0 = voltagem gerada, sem carga 
 𝐾 = constante do gerador; 
 𝜙 = linhas de fluxo por polo; 
 𝑛 = r.p.m. 
 
 Pela equação apresentada anteriormente, tira-se que: 
 
𝐾 =
𝑍
percursos
× polos ×
10−8
60
 
 
 
TIPOS DE EXCITAÇÃO DE UM GERADOR DE 
CORRENTE CONTÍNUA 
 Um gerador de corrente contínua pode ser excitado de diversas 
maneiras. 
 São elas: 
 Excitação Independente; 
 Excitação shunt; 
 Excitação em série; 
 Excitação compound (composta); 
 
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE 
 Em um gerador com excitação 
independente, as bobinas de campo 
são alimentadas com correntes 
externas ao gerador. 
 Com isso consegue-se melhor 
controle do campo gerado e 
consequentemente da tensão 
gerada. 
 Porém, é necessário uma fonte 
externa para alimentar as bobinas 
de campo. 
EXCITAÇÃO SHUNT 
 As bobinas de excitação são 
ligadas aos bornes do induzido. 
 Este gerador é dito então auto-
excitável; 
 A corrente nas bobina será de: 
𝐼𝑓 = 𝐸𝑡/𝑅𝑓 
 Um problema, é que quando se 
aumenta a carga a qual o gerador 
alimenta, a tensão do gerador 𝐸𝑡 
cai e diminui também a intensidade 
do campo de excitação, diminuindo 
ainda mais a tensão gerada. 
EXCITAÇÃO EM SÉRIE 
 Neste caso, as bobinas excitadoras 
são ligadas em série com o induzido, 
transportando toda a corrente da 
máquina. 
 Com isso, quando se aumenta a carga 
a qual o gerador alimenta, aumenta-
se a corrente das bobinas de 
excitação e consequentemente o 
campo e a tensão gerada. 
 Como a corrente nas bobinas de 
excitação é elevada, seus condutores 
devem ser de secção elevada. 
EXCITAÇÃO COMPOUND 
 Neste tipo de máquina as bobinas 
de excitação são ligadas ao mesmo 
tempo por uma excitação shunt e 
excitação em série. 
 Quando as bobinas shunt são 
ligadas por fora das bobinas em 
série diz-se que a máquina é de 
longo shunt. 
 Quando ao contrário, diz-se que é 
de curto shunt. 
CURVA DE SATURAÇÃO SEM CARGA 
 Denomina-se curva de saturação sem carga de um gerador uma curva que 
mostra como 𝐸0 varia com a corrente de excitação 𝐼𝑓, quando a velocidade 
de rotação é constante. 
 Para isso excita-se o 
gerador 
independentemente, 
fazendo-o girar a uma 
velocidade constante. 
 Varia-se 𝐼𝑓 através de 
um reostato em série 
com as bobinas de 
excitação, como 
mostra a figura. 
AUTO EXCITAÇÃO 
 Quase todos os geradores de corrente contínua são auto-
excitados. 
 
 
 Seja um gerador como mostrado 
na figura; 
 A reta 𝑂𝑟 representa a voltagem 
necessária pra fazer circular uma 
corrente 𝐼𝑓 através da resistência 
𝑅𝑓 do circuito de excitação. 
 Sua equação será 𝐸 = 𝑅𝑓𝐼𝑓 que é 
a equação de uma reta com 
inclinação 𝑅𝑓. 
 
 
 
AUTO EXCITAÇÃO 
 Se o interruptor S estiver aberto, ao girar, o gerador produzirá uma tensão 
𝑂𝑎 devido ao magnetismo residual na carcaça do gerador. 
 
 
 
 Se se fecha a chave 𝑆, é 
produzida uma corrente excitadora 
𝑂𝑏 
 Essa corrente elevará a voltagem 
para 𝑂𝑐, que por sua vez 
produzirá uma corrente 𝑂𝑑, e 
assim por diante. 
 O processo se mantém até o ponto 
𝑝, onde a voltagem gerada será 
menor que a para manter a 
corrente excitadora 𝐼𝑓; 
 
AUTO EXCITAÇÃO 
 Se for reduzida (aumentada) a inclinação da reta 𝑂𝑟 a voltagem se elevará 
(diminuirá) até um novo ponto; 
 
 
 
 Essa redução (aumento) da 
inclinação da reta consegue-se 
reduzindo (aumentando) a 
resistência 𝑟 em série com a 
bobina de campo, mostrada na 
figura. 
 
CARACTERÍSTICA DE VOLTAGEM DE UM GERADOR 
INDEPENDENTE 
 A curva característica de um gerador é obtida quando se mantém constantes 
a velocidade e corrente de excitação. 
 Assim, mede-se a variação da Voltagem nos terminais (𝐸𝑡) quando se varia a 
corrente de linha. 
 
CARACTERÍSTICA DE VOLTAGEM DE UM GERADOR 
INDEPENDENTE 
 A voltagem 𝐸𝑡 diminuirá com o aumento da corrente fornecida pelas razões: 
 O fluxo por polo se reduz devido a reação do induzido, logo 𝐸𝑔 também irá diminuir; 
 A voltagem final 𝐸𝑡 será ainda menor que 𝐸𝑔 por causa da queda de tensão devido à 
resistência do enrolamento do próprio induzido do gerador. 
CARACTERÍSTICA DE VOLTAGEM DE UM GERADOR 
SHUNT 
 Mantendo a velocidade constante de um gerador shunt, e medindo-se a 
tensão em seus terminais, chega-se à curva mostrada na figura. 
CARACTERÍSTICA DE VOLTAGEM DE UM GERADOR 
SHUNT 
 Para este tipo de gerador, a voltagem 𝐸𝑡 diminuirá pelas mesmas razões que 
no caso com excitação independente somadas à uma queda de tensão devido 
à diminuição da tensão de excitação, que para este gerador, é a própria 
tensão gerado pelo gerador. 
CARACTERÍSTICA DE VOLTAGEM DE UM GERADOR 
SHUNT 
 No caso extremo em que os terminais do gerador são curto-circuitados, não 
haverá tensão de excitação e consequentemente a corrente produzida pelo 
gerador será somente aquela devido ao magnetismo residual, representado 
na figura pelo ponto 𝐶.
CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR EM SÉRIE 
 A curva A representa a curva de saturação sem carga para esse gerador 
quando a as bobinas de excitação são ligadas com alimentação 
independente e varia-se sua corrente 𝐼. 
 Porém, quando ligado 
em série, este gerador 
apresentará a curva B. 
 A tensão nos terminais 
sofrerá uma queda, 
parte devido à reação 
do induzido e parte 
devido à resistência do 
induzido e do 
enrolamento de campo. 
CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR COMPOUND 
 Os aparelhos elétricos são projetados para funcionar com uma tensão 
constante. 
 O gerador compound é 
construído de modo a 
gerar uma tensão mais 
cosntante. 
 Pra isso, ele se utiliza 
tanto de uma corrente de 
excitação de campo 
ligada em série como em 
paralelo com os terminais 
do induzido (shunt). 
 A figura ao lado mastra 
o esquema de ligação 
deste tipo de gerador e 
sua curva característica; 
 
CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR COMPOUND 
 A corrente que passa através das espiras de campo ligadas em série, 
aumenta o fluxo magnético quando a corrente de linha aumenta 
 Colocando um numero certo 
de espiras consegue-se um 
gerador que tenha mesma 
tensão em plena carga ou 
se carga. 
 Neste caso o gerador é dito 
ter uma compoundagem 
normal; 
 Se tiverem mais espiras em 
série que o necessário, a 
voltagem será maior em 
plena carga - 
sobrecompoundagem 
 
CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR COMPOUND 
 Se as espiras em série não forem suficiente, a tensão em plena carga será 
menor que a sem carga e é dito que o gerador está com 
subcompoundagem. 
 O grau de 
compoundagem pode ser 
ajustado com uma 
resistência em paralelo 
com as bobinas de campo 
em série para desviar 
parte da corrente (como 
na figura). 
CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR COMPOUND 
 Se as bobinas em série são ligadas no sentido inverso, a tensão irá cair 
rapidamente com a corrente de linha e o gerador é dito ter uma 
compundagem diferencial. 
  Este tipo de ligação tem 
aplicações especiais, 
como por exemplo para 
soldas elétricas, onde o 
eletrodo fica 
praticamente curto-
circuitado enquanto se 
realiza a solda. 
ELEVADORES DE VOLTAGEM EM SÉRIE 
 Um gerador em série pode ser utilizado como um elevador de voltagem, como 
mostra a figura. 
 
 
 
 
 Como a tensão em uma linha de transmissão cai com o comprimento do 
condutor, este gerador é ligado em série com a linha de modo compensar esta 
queda de tensão. 
 Sua f.e.m. deve então ser proporcional à corrente, devendo então o gerador 
funcionar na parte ascendente de sua curva característica (a corrente de linha 
não deve exceder a metade de 𝑂𝑁 da curva característia mostrada para o 
gerador em série.