Gerador de Corrente Contínua - Apostilas - Engenharia de Telecomunicações, Notas de estudo de Telecomunicações Eletrônicas

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ Campus Praça XI Curso de Engenharia Elétrica CEME - Gerador de Corrente Contínua - Professor Jorge Bitencourt Turma 1001 – Sala 103 Aluno: Teo Pires Marques Matrícula: 200602116859 Rio de Janeiro Junho 2010 ÍNDICE I – Índice de figuras......................................................................................................2 1 – Introdução...............................................................................................................3 2 – Histórico.............................................................................................................. ....3 3 – Elementos de um gerador de corrente contínua....................................................5 3.1- Rotor ......................................................................................................................6 3.1.1- Partes do Rotor....................................................................................................6 3.2- Anel Comutador ......................................................................................................7 3.3- Estator....................................................................................................................7 3.4- Escovas..................................................................................................................8 4 – Circuito Magnético..................................................................................................8 5 - Princípio de funcionamento de um gerador cc......................................................10 6 – Excitações do campo magnético..........................................................................13 7 – Circuito equivalente do Gerador CC ....................................................................14 8 – Equações da tensão no gerador e regulação de tensão....................................15 9 – Perdas e eficiências de um Gerador CC..............................................................16 10- Bibliografia............................................................................................................17 Índice de figuras Figura 1 – vista de um corte de um gerador cc............................................................5 Figura 2 – rotor de uma maquina de corrente contínua...............................................6 Figura 3 – comutador de um gerador cc......................................................................7 Figura 4 – estator de um gerador de corrente contínua...............................................7 Figura 5 – escovas de grafite e carvão para gerador cc..............................................8 Figura 6 – carcaças utilizadas para criação de um circuito magnético........................9 Figura 7 – Posição do Plano da Bobina de Fio..........................................................11 Figura 8 – principio do funcionamento do gerador de corrente contínua...................12 Figura 9 – Diagrama de circuito com gerador excitado separadamente....................13 Figura 10 – diagrama de circuitos geradores de excitação série...............................13 PAGE 2 A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação a maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta idéia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileu Ferrarris e o russo Michael Von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881. 3 – Elementos de um gerador de corrente contínua. As partes principais de um gerador de corrente continua são: O Rotor (armadura), Anel Comutador, Estator (parte fixa), Escovas. Figura 1 – vista de um corte de um gerador cc Fonte: http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/imagens/a247.jpg 3.1 - 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. Figura 2 – rotor de uma maquina de corrente contínua Fonte: http://homepages.which.net/~paul.hills/Motors/Starters/Rotor.jpg 3.1.1 - Partes do Rotor Núcleo Magnético: é constituído de um pacote de chapas de aço magnético laminadas, com ranhuras axiais para alojar o enrolamento da armadura; Enrolamento da Armadura: é composto de um grande número de espiras em série ligadas ao comutador. O giro da armadura faz com que seja induzida uma tensão neste enrolamento Comutador: é constituído de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua. PAGE 2 Eixo: é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada. 3.2 - 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 – comutador de um gerador cc Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html 3.3 - 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. A fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente do própio rotor. Figura 4 - estator de um gerador de corrente contínua Fonte: http://4.bp.blogspot.com/_1Zhsre0yUpg/SiF2Cq0-v7I/AAAAAAAAABE/o605-0JUECQ/ S692/DSC00128.JPG 3.4 - 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 – escovas de grafite e carvão para gerador cc Fonte: http://www.mecdobrasil.com.br/escovas/images/gif/Escovas.gif 4 – Circuito magnético Para que o campo magnético possa atuar com a intensidade requerida sobre os elementos do circuito eléctrico, colocados em determinada zona da máquina eléctrica, é necessário criar um circuito magnético, isto é um conjunto de meios materiais, formado essencialmente por substâncias ferromagnéticas, constituindo um circuito fechado, através do qual um fluxo magnético se pode estabelecer com facilidade. Numa máquina eléctrica rotativa o circuito magnético será formado por uma parte colocada no estator e outra parte colocada no rotor e separadas por um Entreferro. No passado o circuito magnético estatórico era constituído pela carcaça, normalmente em ferro fundido, a que se juntavam os pólos magnéticos. PAGE 2 Na actualidade o circuito magnético de um gerador de corrente contínua é constituído por um empacotamento de chapa magnética. No corte da chapa magnética, é imediatamente dada forma aos pólos magnéticos, indutores e de comutação. O circuito magnético rotórico é, também, formado pelo empacotamento de chapa magnética, com uma forma de coroa circular e na qual estão já recortadas as ranhuras abertas. O material ferromagnético, utilizado na construço do circuito magnético é caracterizado por ter baixas perdas magnéticas razoável condutibilidade térmica e bom comportamento mecânico. São valores típicos para a chapa magnética utilizada — chapa de ferro silicioso (< 3%) de cristais orientados laminadas a frio: espessura = 0,5 mm, indução de saturação = 1,7 T, densidade de perdas = 2 W/kg a 1,5 T, 50 Hz, massa volúmica = 7,8 x 10^3 kg/m^3, indução remanente = 1,0 T, resistividade = 40 x 10^-8Ω•m. A principal preocupaço no projecto do circuito magnético de uma máquina eléctrica de colector de lâminas diz respeito às perdas magnéticas — perdas por histerese e perdas por correntes de Foucault —, que têm de ser reduzidas para diminuir o seu contributo para o aquecimento da máquina. Por isso na actualidade o circuito magnético do gerador de corrente contínua é folheado e funciona numa zona afastada da saturaço magnética. No passado o circuito magnético estatórico de uma máquina de corrente contínua era maciço, sendo os pólos postiços presos à carcaça por parafusos. Considerava-se que não existia variação no tempo do fluxo magnético, e, portanto, eram diminutas e desprezáveis as perdas magnéticas estatóricas. Na atualidade, e devido ás preocupações sociais com a utilização racional da energia, mesmo essas pequenas perdas não são desprezadas, para ser aumentado o rendimento energético da máquina elétrica. Figura 6 – Carcaças utilizadas para criação de um circuito magnético Fonte: http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html Nas antigas máquinas de corrente contínua, os pólos indutores estavam integrados, isto é eram fundidos, com a carcaça. Depois utilizaram-se os pólos postiços, isto é, eram peças separadas que eram adaptadas e aparafusadas ou rebitadas à carcaça. A adaptação do pólo à carcaça consistia numa maquinagem que era feita de forma a reduzir o, eventual, entreferro no contato entre o pólo e a carcaça. Para as máquinas alimentadas em corrente contínua, na atualidade, o circuito magnético é constituída por um empacotamento de chapa magnética, de baixas perdas (2,3 a 1,6 W/kgm), com uma espessura de 0,4 a 0,5 mm, e isoladas, individualmente, por silicatagem, por fosfatagem, ou por envernizamento. Para aumentar a firmeza do conjunto as chapas extremas podem ter uma maior espessura. Os pólos indutores têm uma forma paralelepipédica no espaço, e são constituídos por um núcleo polar e pela expansão polar. A expansão polar sofre a influência do fluxo magnético de reação do induzido, que é variável no tempo. Os pólos auxiliares de comutação não possuem expansões polares, têm, também, uma forma paralelepipédica no espaço e criam um entreferro maior do que o dos pólos indutores. O circuito magnético rotórico é sempre folheado, porque roda no interior do campo magnético indutor, ficando, assim, as suas partes sujeitas à influência de um fluxo magnético variável. As chapas do circuito magnético rotórico, com uma forma de coroa circular são recortadas, numa forma retangular, na periferia para formarem as ranhuras rotóricas, quando empacotadas, e possuem furos na superfície, destinados a formar canais de ventilação. As ranhuras do circuito rotórico têm uma forma retangular, com uma saliência em "cauda de andorinha" de forma a poderem levar umas réguas de material isolante, reglètes, que restringem o movimento dos condutores no interior da ranhura. No circuito magnético não são de prever avarias que obriguem a especiais cuidados de manutenção, preventiva ou de reparação. No entanto, como o circuito magnético é formado por ajustamentos, ou por empacotamentos, de diferentes partes, nas revisões principais, ou durante uma reparação convém verificar o estado de ligação e de sustentação dessas partes. Como consequência dos esforços eletrodinâmicos inerentes a um curto-circuito da máquina pode resultar avarias mecânicas nos pólos auxiliares de comutação. PAGE 2 o circuito da armadura, ele é chamado de gerador em derivação. Quando o campo está em série com a armadura, o gerador é chamado de gerador série. Se forem usados os dois campos, derivação e série, o gerador é chamado de gerador composto. Os geradores compostos podem ser ligados em derivação curta com o campo de derivação em paralelo somente com a armadura, ou formando uma derivação longa, com o campo de derivação em paralelo com a armadura e com o campo série. Quando o campo série está ligado dessa forma, de modo que seus ampères-espira ajam no mesmo sentido que os do campo em derivação, diz-se que o gerador do composto-acumulativo. Os reostatos de campo são resistências ajustáveis colocadas nos circuitos de campo para variar o fluxo do campo e, portanto a fem gerada pelo gerador. O gerador composto é muito mais usado do que os outros tipos de geradores, porque ele pode ser projetado de modo a oferecer uma ampla variedade de características. Figura 9 - Diagrama de circuito com gerador excitado separadamente Figura 10 – diagrama de circuitos geradores de excitação série Figura 11 – diagrama de circuitos geradores de excitação em derivação Figura 12 – diagrama de circuitos geradores de excitação composta 7 – Circuito equivalente do Gerador CC As relações entre Tensão e Corrente num circuito equivalente de um gerador e de acordo com a lei de Ohm. Figura 13 – circuito de um gerador CC Onde: As equações abaixo são escritas para determinar respectivamente: Equação 6.1 e para calcular a tensão na armadura, Equação 6.2 a tensão no terminal do gerador, Equação 6.3 para determinar e corrente na linha, Vta = Vg - Iara (6.1) Vt = Vg - Ia(ra + rs) (6.2) IL = Ia - Id (6.3) Vta = tensão no terminal da armadura, V Vg = tensão gerada na armadura, V Ia = corrente da armadura, A Vt = tensão no terminal do gerador, V ra = resistência do circuito da armadura, Ω rs = resistência do campo série Ω rd = resistência do campo em derivação Ω IL = corrente na linha, A Id = corrente do campo em derivação, A 8 – Equações da tensão no gerador e regulação de tensão PAGE 2 A tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada através da fórmula descrita abaixo: Onde: Vg = tensão média gerada por um gerador cc, V p = número de pólos Z = número total de condutores da armadura (também chamado de indutores) Φ = fluxo por pólo n = velocidade da armadura, rpm b = número de percursos paralelos através da armadura, dependendo do tipo de enrolamento da armadura. Para qualquer gerador todos os fatores são fixos exceto Φ e n então a equação acima resume a: Onde: Onde este revela o valor de uma fem induzida em qualquer circuito e proporcional à razão com que o fluxo está sendo interceptado. Assim se Φ duplicar e n permanecer o mesmo Vg também é duplicado. Analogicamente, se n dobrar o valor, permanecendo Φ constante Vg dobra. A regulação de tensão de um gerador é a diferença entre a tensão do terminal sem carga (SC) e com carga máxima (CM) e é expressa como uma porcentagem do valor de carga máxima. Regulação de tensão = tensão SC – tensão com CM tensão com CM Uma regulação com baixa porcentagem, característica de circuito de iluminação, significa que a tensão no terminal do gerador e praticamente a mesma com carga máxima ou quando está sem carga. 9 – Perdas e eficiências de um Gerador CC As perdas nos geradores e motores consistem nas perdas no cobre dos circuitos elétricos e nas perdas mecânicas devidas á rotação da máquina. As perdas incluem: 1 – Perdas no cobre Perdas I2R na armadura Perdas de campo (1) I2R do campo em derivação (2) I2R do campo em série 2 - Perdas mecânicas ou rotacionais (a) Perdas no ferro (1) Perdas por correntes parasitas (2) Perdas por histerese PAGE 2 (b) Perdas por atrito (1) Atrito no mancal (rolamento) (2) Atrito nas escovas (3) Perdas por vento ou atrito com o ar As perdas no cobre estão presentes, porque é consumida urna certa potência quando se faz passar uma corrente através de uma resistência. À medida que o rotor gira no campo magnético, a fem induzida nas partes de ferro permite a passagem de correntes parasitas ou de Foucault, que aquecem o ferro representando assim um desperdício de energia. As perdas por histerese ocorrem quando um material magnético é magnetizado inicialmente num sentido e em seguida no sentido oposto. Outras perdas rotacionais são produzidas pelo atrito de rolamento no mancal, pelo atrito das escovas apoiadas sobre o comutador e pelo atrito com o ar. A eficiência é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada. Eficiência = saída entrada Eficiência = entradas – perdas = saída entradas saída + perdas A eficiência e geralmente expressa na forma de porcentagem da seguinte forma: Eficiência(%) = saída x 100 entrada 10- Bibliografia Guedes, Manuel Vaz – Sistemas geradores de energia elétrica. Wikipédia – acessado em 13/06/2010. Máquina de corrente contínua Motor elétrico Gerador Gerador de Corrente Contínua http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html MAQUINAS ELETRICAS – <http://www.faatesp.edu.br/publicacoes/maquina_CC.pdf> Acessado em: 09/05/2010. MAQUINA CORRENTE CONTINUA <http://pt.wikipedia.org/wiki/ maquina_de_corrente_continua> Acessado em 08/05/210. MAQUINA CORRENTE CONTINUA PAGE 2