Determinação da Característica de Saturação de um Gerador de Excitação Independente

Determinação da Característica de Saturação de um Gerador de Excitação Independente Leandro Bolonini, Paulo César Pontini, Rodrigo Nunes, Simone Cordeiro

Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Engenharia Elétrica

I – Introdução Uma espira quando gira dentro de um campo magnético uniforme, gera uma f.e.m. Induzida, dada por: 𝒅𝝋

𝜺 = − 𝒅𝒕 eq. 01

Os anéis comutadores (giram em contato com as escovas) têm a função de inverter a corrente automaticamente mantendo a corrente em um único sentido.

Fig. 01 Com o auxílio dos anéis comutadores e as escovas, temos então a retificação da corrente alternada.

Se colocarmos mais espiras no rotor do gerador, teremos uma tensão menos ondulada.

Fig. 02 Tensão na saída com várias espiras

Com a saída praticamente constante, pode ser calculada por: 𝜺 = 𝒌𝝋𝒎𝒂𝒙 𝒏

eq. 02

k é a constante do gerador. n é a velocidade do gerador em RPM. 𝜀 é a tensão gerada em vazio. 𝜑 é o fluxo magnético.

Um gerador CC possui um circuito de campo (excitação) e um circuito de armadura (induzido).

Fig. 03 A bobina shunt (identificada pelos terminais C e D) é caracterizada por ter muitas espiras com fio de bitola fina. Assim com pequenas correntes, conseguimos campos magnéticos suficientes para induzir as tensões na armadura.

Geradores shunt de excitação independente necessitam de uma fonte de tensão contínua externa para fornecer energia ao enrolamento de campo.

Curva de magnetização é a relação entre a corrente de excitação (campo) e a tensão nos terminais do gerador a vazio. 𝝋 ∝ 𝒊𝒄𝒂𝒎𝒑𝒐 , então:

𝜀 = 𝒌′𝒏𝒊𝒄𝒂𝒎𝒑𝒐 eq. 3

Fig. 04

II – Material •

Uma máquina Shunt Ms1 com painel P 22.

•

Um motor de repulsão Ms5 220 V - painel P 20.

•

Um amperímetro CC.

•

Um voltímetro CC.

•

Um Tacômetro.

•

Uma fonte de CC, tensão variável.

III – Procedimento Experimental Montar o circuito como mostra a fig. 5.

Fig. 05

- Montamos o circuito, conforme segue na Foto 01 logo abaixo:

Foto 01 - Ligamos o eixo do motor ao eixo do gerador. - Ligamos o motor e ajustamos a velocidade para 1800 RPM, verificado pelo tacômetro. - Aumentamos gradativamente a tensão da fonte anotando os valores da corrente de campo e a tensão residual gerada em vazio. Fizemos isto até a tensão residual se tornar constante. Repetimos o procedimento reduzindo a corrente até zero. - Construímos o gráfico ε x icampo para 1800 RPM. - Repetimos para velocidade de 2100 e 1500 RPM a partir dos valores obtidos para 1800 RPM.

IV – Resultados Experimentais A seguir veremos os dados obtidos nas medições efetuadas durante o experimento realizado no laboratório. Veremos também a correlação das medições para as rotações de 1500 e 2100 RPM.

- Para 1800 RPM (medições) Corrente crescente Corrente decrescente

I (mA)

ε (V)

I (mA)

ε (V)

0

10

200

160

5

15

150

150

10

21

110

125

15

28

50

83

20

35

40

68

25

41

35

62

30

48

30

55

35

54

25

48

40

60

20

41

50

75

15

35

110

120

10

28

150

145

5

17

200

160

0

12

Tabela 01

- Gráfico ε x icampo para 1800 RPM

Gráfico 01

- Para 2100 RPM Para determinação da tensão de saída do gerador para 2100 RPM a constante do gerador é calculada pela rotação de 1800 RPM. 𝑘′ = 𝑛

𝜀1800

1800 𝑖𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜

𝜀=𝑛

𝜀1800

1800 𝑖𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜

𝜀=

, então:

∗ 𝑛2100 𝑖𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 , assim

𝑛2100 ∗𝜀 𝑛1800 1800

𝑛2100 2100 = ≈ 1.17 𝑛1800 1800 𝜀 = 1.17 ∗ 𝜀1800 A partir desta teoria obtivemos a tabela para 2100 RPM: Corrente crescente Corrente decrescente I (mA)

ε (V)

I (mA)

ε (V)

0

11.7

200

187.2

5

17.55

150

175.5

10

24.57

110

146.25

15

32.76

50

97.11

20

40.95

40

79.56

25

47.97

35

72.54

30

56.16

30

64.35

35

63.18

25

56.16

40

70.2

20

47.97

50

87.75

15

40.95

110

140.4

10

32.76

150

169.65

5

19.89

200

187.2 0 Tabela 02

14.04

- Gráfico ε x icampo para 2100 RPM

Gráfico 02

- Para 1500 RPM Para determinação da tensão residual o procedimento é análogo feito para 1500 RPM.

𝜀=

𝑛1500 ∗𝜀 𝑛1800 1800

𝑛1500 1500 = ≈ 0.83 𝑛1800 1800 𝜀 = 0.83 ∗ 𝜀1800

A partir desta teoria obtivemos a tabela para 1500 RPM: Corrente crescente Corrente decrescente I (mA)

ε (V)

I (mA)

ε (V)

0

8.33

200

133.33

5

12.5

150

125

10

17.5

110

104.17

15

23.33

50

69.16

20

29.17

40

56.66

25

34.17

35

51.66

30

40

30

45.83

35

45

25

40

40

50

20

34.17

50

62.5

15

29.17

110

100

10

23.33

150

120.83

5

14.17

200

133.33 0 Tabela 03

10

- Gráfico ε x icampo para 1500 RPM

Gráfico 03

- Sobreposição dos Gráficos para 1500, 1800 e 2100 RPM Fizemos a sobreposição dos três gráficos anteriores para uma melhor visualização do cenário geral.

Gráfico 04

V – Conclusões Durante a primeira etapa (corrente crescente) de medições, notamos que ao aumentarmos, gradativamente o valor da corrente, a rotação diminui devido ao aumento da intensidade do campo magnético produzido pelo aumento desta corrente, deixando assim o rotor “pesado”. Logo, se fazia necessária a regulagem da RPM do rotor para 1800.

Ao atingirmos a tensão do gerador em vazio máxima (160 V / 200 mA), notamos que mesmo que aumentássemos a corrente esta tensão a rotação se mantinha constante, logo identificamos este como o ponto de saturação do gerador.

Durante a segunda etapa (corrente decrescente) notamos que havia um fenômeno

inverso ao da primeira, ou seja, ao diminuirmos a corrente gradativamente, a rotação aumentava, devido à diminuição da intensidade do campo magnético produzido pela diminuição da corrente, deixando assim o rotor mais “leve”. Logo, se fazia necessária a regulagem da RPM do rotor para 1800.

Quando a corrente se aproximou de zero a rotação se manteve constante e a tensão do gerador em vazio foi de 12 V, que identificamos como tensão residual magnética do gerador.

Pelas tabelas 02 e 03 e pelo gráfico 04 (sobreposição) observamos que a tensão do gerador aumentou para uma rotação de 2100 RPM e diminuiu para rotação de 1800 RPM, mostrando assim que a eq. 02 esta correta, ou seja, 𝜀 ∝ 𝑛.

VI – Bibliografia http://www2.ele.ufes.br/~vinicius/Ufes/capitulo%205%20maquinasCC.pdf