No caso da máquina CC, um dos modelos simples desse tipo de

máquina é uma espira por onde flui uma corrente elétrica i. Essa espira está imersa em um campo magnético. Quem estabelece esse campo magnético na máquina CC? a) O rotor. b) O comutador. c) As escovas. d) O estator. e) A corrente elétrica.

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Seção 2.2

Gerador CC

Já estamos na Seção 2.2 do nosso LD e continuamos acompanhando Daniel nas tarefas cotidianas do seu estágio dentro de uma empresa do setor químico. O que temos visto é que ele encara a sua formação com muita seriedade e busca desafios que o levem à excelência dentro da área de engenharia. Para que nos lembremos, Daniel foi recebido pela engenheira Anne, que o apresentou aos técnicos do setor de manutenção da empresa e descreveu as atividades desenvolvidas ali. Comentou que a primeira etapa da estadia de Daniel seria na bancada de Máquinas CC e que a sua atividade estaria concentrada em entender a razão desse tipo de máquina ser tão requisitada para as tarefas mais “duras” dentro das indústrias. Ele ficou empolgado com a nova fase do seu estágio.

Daniel teve, ao chegar na bancada de máquina CC, o acompanhamento do Sr. Saraiva que o motivou a desvendar o papel fundamental do comutador no funcionamento desse tipo de máquina. Durante os estudos e pesquisas desenvolvidos para desvendar o “mistério” por trás do funcionamento do comutador, Daniel viu que existem diferentes modos de alimentar as máquinas CC. Durante uma conversa com o Sr. Saraiva, ele foi questionado sobre o tema: “Meu caro Daniel, você tem um olhar atento, parabéns. Já que enxergou as possibilidades de alimentação das máquinas CC, quero que se concentre nos geradores CC e descreva duas formas tradicionais de alimentação desses geradores”.

Mais uma vez, vamos estudar os conceitos sobre o assunto? Como identificar os modos mais tradicionais de excitação dos geradores CC? Como identificar suas peculiaridades e os conceitos aplicados em cada forma de excitação? Nessa seção desenvolveremos nossos estudos para que essas perguntas sejam respondias.

Sendo assim, nessa seção do nosso LD trataremos sobre os geradores CC com excitação independente e os geradores com excitação paralela, também conhecida como excitação em shunt ou autoexcitação.

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Veremos aqui os conceitos físicos e matemáticos presentes nos geradores e os seus modos de excitação. Ao final da seção seremos capazes de entender o funcionamento dos geradores CC e identificar de que forma eles podem ser excitados. Além disso, teremos consciência das vantagens, desvantagens e viabilidade do uso de cada tipo de gerador CC, os modos de excitação e suas eventuais aplicações.

Para que entendamos o conceito de gerador CC, é necessário observar que uma máquina CC funciona como gerador a partir do giro que o seu eixo sofre devido à ação de outra máquina (que pode ser elétrica ou não). Para essa máquina responsável por imprimir movimento ao eixo da máquina CC é adotado o nome de Máquina Motriz.

Como exemplo de máquinas motrizes podemos citar as turbinas eólicas, os motores a diesel, turbinas a vapor e outras máquinas elétricas. Pode parecer estranho que seja usada uma máquina elétrica (atuando como máquina motriz) para fornecer a energia mecânica (giro do eixo) para outra máquina elétrica (que atuará como gerador elétrico). Porém, principalmente nas indústrias, isso é muito comum.

A Figura 2.7 apresenta o exemplo de um pequeno gerador CC em que a máquina motriz usada foi uma hélice. Com a presença de vento, as pás da hélice irão se movimentar e, como os eixos da hélice e da máquina elétrica estão acoplados, será gerada uma tensão nos terminais da máquina elétrica.

Não pode faltar

Fonte: adaptado de: <http://www.comofazerascoisas.com.br/como-fazer-um-mini-gerador-de-energia-aeolica-versao-2. html>. Acesso em: 3 jul. 2016.

Figura 2.7 | Protótipo de um gerador CC acionado por uma hélice

Ou seja, os geradores CC estão dentro da classe de dispositivos que convertem energia mecânica (rotação do eixo) em energia elétrica.

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Exemplificando

As usinas hidrelétricas também realizam a mesma transformação, ou seja, o movimento das suas turbinas, provocado pela passagem da água represada em um lago/reservatório, transforma a energia potencial mecânica em energia elétrica.

Esses geradores podem ser excitados de diferentes formas. Aqui vamos nos concentrar em duas: o gerador CC com excitação independente e o gerador CC autoexcitado. Porém, antes de falarmos sobre os modos de excitação, relembremos rapidamente o conceito de excitação na área das máquinas elétricas CC. É importante lembrarmos que a máquina CC é composta de dois circuitos (circuito de campo, que é do estator, e armadura, que é do rotor). O processo de excitação é quando alimentamos o circuito de campo (estator), e esta energia, cedida pela alimentação, gera um campo magnético nesse circuito. Por outro lado, o movimento do eixo do gerador, via máquina motriz, vai fazer com que a armadura interaja com o campo produzido pelo estator. A energia elétrica, resultante dessa interação, será a extraída pelos terminais que estão conectados ao comutador e às escovas presentes na máquina CC, como apresentado na seção anterior dessa unidade do nosso LD.

A Figura 2.8 apresenta o esquema de um gerador CC com excitação independente. Nessa figura temos do lado esquerdo o circuito de campo e do lado direito o circuito equivalente da armadura. A corrente de campo, IF, é suprida por uma fonte externa ao gerador, por isso o termo excitação independente.

Fonte: Chapman (2013).

Figura 2.8 | Esquema elétrico equivalente de um gerador CC com excitação independente

Observando o circuito mostrado na Figura 2.8 e aplicando a Lei de Kirchhoff para a tensão, chegaremos à expressão que relaciona a tensão de armadura, induzida pelo giro do eixo, à tensão nos terminais do gerador.

V_T =E_A−R I_A⋅ _{A (2.8)}

Onde: E_A é a tensão induzida na armadura, RA representa a resistência da armadura, I_A é a corrente na armadura e V_T é a tensão nos terminais do gerador.

Deste modo, conseguimos observar que, se a corrente de armadura (que supre a carga conectada nos terminais do gerador) aumentar, o fator R_A . I_A também aumentará. Isso pode se tornar um problema.

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Observe o gráfico mostrado na Figura 2.9 e atente para o fato de que se I_A crescer demasiadamente a diferença entre E_A e V_T poderá inviabilizar o uso do gerador para o atendimento da carga conectada a ele.

Fonte: Chapman (2013).

Figura 2.9 | Curva de V_T X I_A para um gerador CC com excitação independente e conectado a uma carga resistiva

Reflita

Que solução poderia ser realizada para compensar esta perda provocada pelo fator R_A . I_A? Que fatores teriam que ter seus valores limites assegurados para que o gerador continuasse com a sua característica de tensão nos seus terminais de modo a se manter adequado para atender a uma carga?

Como controlarmos a tensão nos terminais do gerador CC com excitação independente? Uma das formas seria controlar a velocidade de rotação do seu eixo,

ω

_n. Quanto mais veloz ele girar, mais alta será a tensão nos terminais do gerador, conforme a Equação 2.9.

E_A=Kφω_m (2.9) Onde: K é uma constante de proporcionalidade que depende da construção da máquina,

φ

é o fluxo magnético e

ω

_m é a velocidade angular do rotor.

Acontece que o controle pela velocidade por vezes se mostra limitado. Parte-se então para o controle da corrente de campo

I

_F. Essa corrente depende da resistência do circuito de campo,

R

_F, segundo a Equação 2.10.

IF F

F V R

= (2.10)

Se diminuirmos o valor de

R

_F e mantivermos a tensão suprida pela fonte externa (

V

_F) fixa, aumentaremos o valor de

I

_F. Com o aumento da corrente de campo, o fluxo magnético também aumenta e, como foi visto na Equação 2.2,

E

_A também aumentará. Assim, pela Equação 2.8, teremos o aumento da tensão nos terminais do gerador CC.

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Gerador CC com excitação shunt ou autoexcitado

Assimile

Como você já percebeu, para entendermos e nos apropriarmos de conhecimento na área de máquinas elétricas, precisamos estar em dia com os conceitos do eletromagnetismo. Procure ler sobre a relação entre as grandezas elétricas e as magnéticas. Acreditamos que, surgindo dúvidas, uma releitura da Seção 2.1 será de grande valia.

A Figura 2.10 mostra o esquema de um gerador CC autoexcitado. Repare que a corrente de armadura (

I

_A) é dividida entre o circuito de campo (

I

_F) e a carga (

I

_L).

Fonte: Chapman (2013).

Figura 2.10 | Esquema de um gerador CC autoexcitado

Neste caso, não há fonte externa excitando a máquina. O que há é uma derivação do circuito de campo conectada aos terminais do gerador. Em razão dessa derivação (ramo formado por

R

_F e

L

_F), esse tipo de gerador também é conhecido como: Gerador Shunt.

A vantagem desse tipo de gerador CC é óbvia: não precisa de uma fonte externa! Porém, onde está a mágica? Se revisarmos a Equação 2.9, vamos lembrar que

E

_A depende de um fluxo magnético; e onde ele será gerado? Observe o gráfico apresentado na Figura 2.11. Esse gráfico mostra o comportamento, desde um valor inicial, da tensão da armadura. Essa tensão vai tendo seu valor aumentado em degraus. Para isso é necessário que no início exista um fluxo magnético, conhecido como fluxo residual, nos polos do gerador. O fluxo residual é uma quantidade pequena de energia magnética retida nos polos, devido à capacidade do material ferromagnético, usado na máquina CC, na retenção desse tipo de energia. É muito importante observar que sem essa energia inicial, seria impossível a geração da tensão nominal na armadura.

Podemos escrever uma equação para a tensão de armadura,

E

_A, como sendo a Equação 2.11:

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EA =Kφ ω (2.11)res m Onde: K é uma constante de proporcionalidade que depende da construção da máquina,

φ

_res é o fluxo magnético residual e

ω

_m é a velocidade angular do rotor.

Fonte: Chapman (2013).

Figura 2.11 | Geração da tensão inicial em um gerador CC autoexcitado

Essa tensão pode ser de poucos Volts, porém é responsável por fazer circular uma corrente no ramo de campo (bobina de campo),

I

_F. Essa corrente produz uma força magnetomotriz nos polos, aumentando o fluxo magnético neles. Neste momento, o raciocínio é o mesmo daquele usado no gerador CC com excitação independente, pois, se o fluxo aumenta, a tensão na armadura aumenta e a tensão nos terminais do gerador também aumentará. Recorrendo à Equação 2.8, que também pode ser aplicada aqui, a tensão nos terminais também aumentará. Desta forma, estará garantida a característica nos terminais do gerador CC autoexcitado. Este processo de geração da tensão de armadura, pela derivação do circuito de campo para autoexcitar o gerador, é conhecido como escorvamento. Podemos entender o escorvamento como sendo o processo pelo qual a tensão de armadura em um gerador CC autoexcitado vai tendo incrementos sucessivos em sua tensão de armadura, devido à realimentação existente entre os circuitos de campo e a armadura. Como já mencionado anteriormente, o fluxo magnético residual gera uma tensão mínima nos terminais de saída do gerador. Essa tensão irá realimentar o enrolamento de campo, aumentando o fluxo por polo. Esse incremento no fluxo faz-se necessário para que o gerador atinja a tensão de saída nominal em seus terminais. Este processo é contínuo. Porém, quando é atingida a condição de saturação magnética, a tensão estabiliza-se, pois nessa condição o aumento de corrente não causará mais aumento de fluxo magnético.

Uma figura de mérito na comparação dos geradores CC é a regulação de tensão,

V

_R. Observe a Equação 2.12, que mostra como calcular esse fator:

V V V V R n f f = 1− 1⋅ 1 100% (2.12)

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conectada, e

V

_{f 1} é a tensão nominal do gerador quando conectado à carga nominal.

Pesquise mais

Leia o capítulo sobre geradores CC em Chapman (2013) e entenda mais sobre:

1 – O fenômeno do escorvamento.

2 – Outras formas de excitarmos os geradores CC. 3 – Curvas de magnetização.

Certamente, esse material irá ampliar o seu conhecimento sobre o assunto.

Sem medo de errar

Daniel, em mais uma etapa do seu estágio, estudou as formas com que podemos alimentar os geradores CC e se deparou com duas formas mais usuais de realizar a excitação.

Essas formas de excitação dos geradores CC, estudadas por Daniel, foram apresentadas e detalhadas nessa seção do nosso LD:

• A primeira delas foi a excitação usando uma fonte externa. Essa fonte externa seria responsável em estabelecer uma tensão no circuito de campo do gerador e, por meio dessa tensão, controlar a corrente de armadura. Essa corrente, como pode ser visto na Equação 2.8, causa uma queda de tensão sobre o resistor de armadura e estabelece a tensão nos terminais do gerador.

• A segunda forma, e podemos dizer a mais intrigante, é realizando uma derivação do circuito de campo, e, por meio de um fluxo magnético residual, estabelecer, no início de todo processo de geração de energia, um valor mínimo de tensão na armadura. Haverá então um incremento de fluxo, que aumentará o valor da tensão de armadura e a tensão nos terminais alcança os valores adequados para atender a demanda da carga que estiver conectada ao gerador.

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Fonte: Del Toro (1999).

Figura 2.12 | Esquema de um gerador CC autoexcitado

Vantagens e desvantagens são notadas em ambos os casos. A maior vantagem do gerador CC autoexcitado é não precisar de uma fonte externa. Isso, no dia a dia do profissional da área de tecnologia, significa economia de dinheiro, tempo e espaço. E esses fatores, por vezes, são os que conduzem uma especificação de compra de uma máquina elétrica.

Atenção

Observando bem os esquemas elétricos equivalentes de cada forma de excitação dos geradores CC aqui estudados, Figuras 2.8 e 2.10, perceba que as correntes que alimentam as cargas são diferentes. No gerador com fonte independente, a corrente de armadura (

I

_A) é a mesma que alimenta a carga (

I

_L). Já no gerador autoexcitado, a corrente que alimenta a carga é a diferença entre a corrente de armadura e aquela que flui para derivação de campo (

I

_F).

Avançando na prática

Gerador CC com excitação independente e tensão de saída determinada pela carga

Descrição da situação-problema

Um gerador CC com excitação independente tem valores nominais de 150 kW, 380 V, 100 A e 1800 rpm. Esse gerador tem as seguintes características: RA= 0 5, Ω, RF = 125Ω , V_F = 380 e V NF = 2000 espiras por polo. O gerador tem a sua curva de magnetização como apresentado na Figura 2.13. Note que a curva de magnetização é uma ferramenta gráfica que nos possibilita de forma simples, sem ter que usar um equacionamento, relacionar a corrente de campo I_F com a tensão de armadura EA. Essas curvas geralmente são geradas com base nos parâmetros das equações que modelam o funcionamento do gerador CC. Porém, para a obtenção de uma curva para um dado gerador CC é necessário tornar constantes alguns parâmetros. Um exemplo disso é manter constante a velocidade do eixo do gerador.

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Fonte: Chapman (2013).

Figura 2.13 | Curva de magnetização típica para esse tipo de gerador CC

Qual seria a tensão nos terminais desse gerador, se fosse conectada a ele uma carga que requer 120 A? Assuma que a máquina motriz foi ajustada para a velocidade de rotação igual à nominal do gerador.

Resolução da situação-problema

O primeiro passo é calcular a corrente de campo:

I V R I I A I A F F F F F F = ⇒ = ⇒ = ⇒ ≅ 380 125 3 04 3 , Lembre-se

Não podemos esquecer as relações apresentadas pelas equações desta seção. Em especial, aquelas das Equações 2.8 e 2.10.

Com o valor de corrente, vamos, por meio da curva de magnetização, obter o valor da tensão de armadura:

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Agora basta calcular o que foi pedido, que é a tensão nos terminais do gerador:

V E I R V V V T A A A T T = − ⋅ ⇒ = − ⋅ ⇒ = 300 120 0 5 240 ,

Faça você mesmo

Vamos supor que você precise fazer modificações no circuito de campo do mesmo gerador da situação que acabamos de resolver, para obter a maior tensão na armadura possível. Para isso, e usando a curva de magnetização apresentada na Figura 2.13, qual o valor de

R

_F a ser usado?

Faça valer a pena

No documento Máquinas Elétricas - Luis Carlos de Freitas.pdf (páginas 68-78)