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Conversão de Energia I
Aula 5.3
Departamento de Engenharia Elétrica
Aula 5.3
Geradores de Corrente Contínua
Prof. Clodomiro Unsihuay Vila
Bibliografia
FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Jr. C. E UMANS, S. D. Máquinas Elétricas:com Introdução à Eletrônica De Potência. 6ª Edição, Bookman, 2006.Capítulo 7 – Máquinas CC
KOSOW, I. Máquinas Elétricas e Transformadores. Editora Globo. 1986.
Capítulo 3 – Relação de Tensão nas Máquinas CC –Geradores CC
TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de Máquinas
Conversão de Energia I
TORO, V. Del, MARTINS, O. A. Fundamentos de MáquinasElétricas. LTC, 1999. Capítulo 7 – Geradores de Corrente Contínua;
Bim, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento. Editora Elsevier, 2009.
Capítulo 7 – Regime permanente de máquinas de corrente contínua
Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Gerador com Excitação Independente
Conversão de Energia I
O enrolamento de campo é alimentado com uma tensão CC controlada gerando um fluxo magnético controlado.
Se houver uma fonte externa de torque produzindo rotação no eixo, seráinduzida uma tensão na armadura e a máquina opera como gerador.
Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Gerador com Excitação Independente
Gerador com excitação independente
Conversão de Energia I
Gerador com excitação independente
Torque que deve ser fornecido ao gerador para manter velocidade de rotação
mpicoZa wKE ⋅⋅= φ
apicoT IKT ⋅⋅= φ
Operação do gerador com Excitação Independente
aaaa IREV ⋅−=
O balanço de tensão do circuito daarmadura será:
Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Considerando a resistências dasescovas:
Conversão de Energia I
Gerador com excitação
independente, circuito equivalente.
Sendo:IA = corrente de armadura;RA = resistência de armadura;
RE = resistência das escovas.
aEAaa IRREV ⋅+−= )(
Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Operação do gerador com Excitação Independente
O balanço de tensão do circuito decampo será:
Sendo:R = Resistência do enrolamento do
FCFF IRRV ⋅+= )(
Conversão de Energia I
RF= Resistência do enrolamento docampo;RC = Reostato de campo.
O fluxo gerado será função dacorrente que flui no circuito decampo:
)( FIfunção=φ
Tipos de Geradores de Corrente Contínua
Operação do gerador com Excitação Independente
Força eletromotriz induzida nocircuito da armadura (Ea) é função
Conversão de Energia I
Gerador com excitação
independente - Circuito equivalente. mpicoZa wKE ⋅⋅= φ
circuito da armadura (Ea) é funçãodo fluxo Φ:
Região linear de operação
Dentro de uma ampla faixa a relutância do aço da máquina é desprezívelem comparação a do entreferro. Nessa região, o fluxo é linearmenteproporcional à Fmm dos enrolamentos de campo.
Conversão de Energia I
mpicoZa wKE ⋅⋅= φ
Nessa região linear a tensão induzida na armadura aumenta de formalinear com o fluxo (corrente de campo) para uma frequência de rotaçãoconstante.Para um fluxo constante a tensão induzida aumenta de forma linear com oaumento da velocidade de rotação.
0
0
m
apicoZ
m
a
w
EK
w
E=⋅= φ
Região linear de operação
Conversão de Energia I
0
0
a
m
ma E
w
wE ⋅=
ExercícioUm gerador de dois pólos com excitação independente, tem uma tensãoterminal a vazio de 125 [V], quando a armadura gira a 900 [rpm] e oenrolamento de campo é alimentado com uma corrente de 2 [A]. Essegerador está trabalhando na porção linear da curva de magnetização. Oenrolamento de campo possui no total 400 espiras. O enrolamento daarmadura possui 450 condutores, imbricados simples (m=1), e a resistênciada armadura mais a resistência do comutador é de 0,6 [Ω]. Com uma cargade resistência de 5 [Ω] nos terminais do gerador, a tensão terminal cai. Qualdeve ser o novo valor da corrente de campo para alimentar a carga comuma tensão 125[V] (considerar que a velocidade do gerador permanece
Conversão de Energia I
uma tensão 125[V] (considerar que a velocidade do gerador permanececonstante)?Obs. Considerar que todo o fluxo produzido no enrolamento de campo estáconcatenado numa espira da armadura (Φpico = Φcampo )
Operação das máquinas CC
Com o aumento da densidade de fluxo ocorre a saturação do materialferromagnético é a relação entre Fmm e fluxo já não é mais linear.
Conversão de Energia I
Relação entre Fmm e fluxo numa máquina CC
Operação das máquinas CC
A tensão induzida na armadura é proporcional a Fmm (fluxo por polo) e avelocidade de rotação do rotor.
mpicoZa wKE ⋅⋅= φ
ffcampo INFmm ⋅=
Conversão de Energia I
Curva de magnetização para duas velocidade do rotor
Exercício Um gerador CC com uma resistência de armadura Ra = 0,1[Ω], e uma
resistência do enrolamento de campo Rfw = 80 [Ω], e Nf = 1200 espiras.
a) Determine a tensão terminal para corrente de armadura de 120 [A],
considerando que esse gerador opera com uma corrente de campo de 1 [A] e
sua velocidade de rotação de 1000 [rpm] (as características de magnetização
para 1000 [rpm] são apresentadas na figura abaixo);
b) Determine a corrente de campo requerida para produzir uma tensão
terminal de 100 [V], quando operando com corrente de armadura de 120 [A].
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Exercício
Conversão de Energia I
Auto-excitação do gerador shunt
O material ferromagnético do enrolamento de campo mantém umamagnetização residual (Ear) que induz uma pequena tensão na armadurae por conseqüência uma pequena corrente de campo. Essa corrente decampo alimenta o enrolamento de campo formando um ciclo derealimentação que propicia a partida do gerador.
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Auto-excitação do gerador shunt
Comportamento da tensão induzida no gerador com a variação daresistência em série com o enrolamento de campo.
Conversão de Energia I
Exercício
Um gerador CC com resistência de armadura Ra = 0,1 [Ω], a resistênciado enrolamento de campo Rfw = 80 [Ω], e Nf = 1200 espiras por pólo.Quando operando em 1000 [rpm] (as características de magnetizaçãopara 1000 [rpm] é apresentada abaixo), determine:
Para o gerador operando sem carga, determine:a) Determine o máximo valor da tensão gerada; (Vt = 110 [V])b) Determine o valor da resistência de campo requerida para gerar atensão terminal de 100 [V]. (Rfc = 20 [Ω])c) Determine o valor da resistência de campo critica. (Rfc = 90 [Ω])
Conversão de Energia I
Exercício
Conversão de Energia I
Exercício
][1705,0
85)( Ω==critfR
fwffc RRR −=
][9080170 Ω=−=fcR
Para o gerador operando sem carga, determine:c) Determine o valor da resistência de campo critica.
Conversão de Energia I
][9080170 Ω=−=fcR