Levantamento da Característica de Magnetização do Gerador de Corrente Contínua

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1 Experiência IV Levantamento da Característica de Magnetização do Gerador de Corrente Contínua 1. Introdução A máquina de corrente contínua de fabricação ANEL que será usada nesta experiência é a mostrada na Fig. 1. Trata-se, similarmente ao motor de indução ensaiado na primeira experiência, de uma máquina didática. A Fig. 2 mostra a placa da máquina em questão. Fig. 1. Máquina de corrente contínua de fabricação ANEL. Fig. 2. Placa da máquina de corrente contínua de fabricação ANEL.

2 Os circuitos equivalentes das máquinas de corrente contínua em seu funcionamento em regime permanente são mostrados na Fig. 3 a seguir. Estes circuitos são associados aos seus dois enrolamentos: o enrolamento de campo e o enrolamento de armadura. V f, I f e R f representam, respectivamente, a tensão, a corrente e a resistência do enrolamento de campo. Já Va, I a e Ra representam as mesmas grandezas do enrolamento de armadura, ω r é a velocidade de rotação do rotor e L af é a indutância mútua entre os enrolamentos de campo e de armadura. Por razões ligadas ao funcionamento do comutador, o enrolamento de armadura encontra-se no rotor enquanto que o enrolamento de campo é colocado no estator. Fig. 3. Circuitos elétricos equivalentes das máquinas de corrente contínua funcionando em regime permanente. Para a geração de um tensão contínua, o enrolamento de excitação (campo) pode ser excitado de maneira independente, isto é, alimentado através de uma fonte de corrente contínua ou então a máquina pode operar auto-excitada. Neste caso o enrolamento de campo pode ser ligado em paralelo com a armadura ou então em série com a mesma. O enrolamento de campo a ser ligado em paralelo com a armadura possui um grande número de espiras e é chamado de campo em derivação. Contrariamente, o enrolamento de campo que será ligado em série com a armadura possui poucas espiras e é construído com condutores de secção transversal bem maior de maneira a reduzir a queda de tensão nos seus terminais. Este último é chamado de campo em série. Eles são, portanto, distintos e são acessados em bornes diferentes. O funcionamento dos geradores de corrente contínua auto-excitados será objeto de experiências que serão feitas mais adiante. Nesta experiência relativa à determinação da característica de magnetização da máquina de corrente contínua trabalharemos com campo independentemente excitado. Para a excitação independente utiliza-se o mesmo enrolamento do campo em derivação. Como se trata de uma máquina didática de quatro pólos eles deverão ser ligados em série, conforme esquema que será apresentado mais adiante.

3 Retomemos o circuito elétrico da Fig. 3. A partir deste circuito pode-se escrever as equações da tensão de campo e da tensão de armadura, como abaixo V f = R f I f (1) V a ω = Ra Ia + rlaf I f (2) Para o caso de um gerador funcionando à vazio ( I = 0) a equação (2) simplifica-se a V a ω = ω φ = rlaf I f rna af (3) onde, para a última igualdade a indutância mútua L af foi escrita como L af N φ a af = (4) I f e na qual Na pela corrente de campo é o número de espiras do enrolamento de armadura e φ af é o fluxo grado I f visto pela armadura. O fluxo φ af percorre o ferro do circuito magnético da máquina que, além de ser um material não linear, apresenta histerese magnética. A título de ilustração, a Fig. 4(a) mostra as curvas de uma corrente senoidal aplicada a um determinado tipo de ferro e o fluxo magnético resultante [3], [4]. Observa-se bem a não-linearidade do ferro pois a corrente não é senoidal. Ainda na Fig. 4(b) pode-se visualizar o ciclo de histerese obtido quando é traçada a curva do fluxo em função da corrente. A perda por histerese é proporcional à área deste ciclo e este, por sua vez, independente da forma de onda da corrente que o gera. (a) (b) Fig. 4. (a) Curvas de corrente e fluxo em função do tempo (forma de onda do fluxo propositadamente amplificada para facilitar a visualização). (b) Laço de histerese magnética. No caso do gerador de corrente contínua, a corrente elétrica do campo não é alternante como mostrada na Fig. 4(a), mas contínua. Assim, somente o primeiro quadrante

4 do ciclo de histerese é traçado. Isto pode ser entendido imaginando que o ferro esteja inicialmente completamente desmagnetizado (ponto 1 do laço de histerese). Injeta-se então gradativamente corrente contínua neste enrolamento até atingir-se o ponto 2 da curva acima e opera-se o gerador. Um exemplo da distribuição do fluxo magnético na máquina para esta condição de funcionamento do gerador a vazio é mostrada na Fig. 5 (a) [5]. Já a Fig. 5 (b) mostra a densidade de fluxo no entreferro da máquina no sentido anti-horário ao longo de uma linha imaginária no entreferro. Quando a máquina é desligada a corrente de campo é anulada, mas o fluxo no ferro não se anula (ponto 3 do ciclo de histerese). Este fluxo remanescente é chamado de fluxo residual e ele (ou parte dele) permanece circulando no circuito magnético. (a) Fig. 5. (a) Distribuição do fluxo na metade de uma máquina de corrente contínua de dois pólos quando somente o enrolamento de campo é excitado por uma corrente contínua constante. (b) Indução magnética no entreferro. (b)

5 Retomando-se novamente a equação (3) podemos agora esboçar a forma da tensão de armadura V a que deverá por um lado ser não linear e além disto não iniciar-se em zero Volts em virtude do fluxo residual. Seu aspecto é como mostrado na Fig. 6. Fig. 6. Curva de magnetização típica de uma máquina de corrente contínua. 2. Procedimento experimental Para proceder ao levantamento da característica de magnetização do gerador ANEL disponível no laboratório, devemos utilizar uma máquina primária para acionar o gerador. Esta máquina primária será a responsável pelo fornecimento da potência mecânica ao gerador e manter sua velocidade de rotação ω r. A máquina que será utilizada como máquina primária será o motor síncrono, igualmente fabricado pela ANEL, que está acoplado à máquina de corrente contínua, conforme mostra a Fig. 7 abaixo. Fig. 7. Conjunto máquina síncrona e máquina de corrente contínua. A tensão de alimentação do motor será de 230 Volts. Neste caso as bobinas do estator estarão ligadas em estrela, conforme pode ser verificado. A corrente nominal do estator do motor nesta tensão (em carga nominal de 2 kva) é de 5.1 Ampères. Já a corrente contínua máxima do enrolamento de campo é de 0.6 Ampères, conforme dados de placa.

6 Visto tratar-se de um motor síncrono, ele precisa de dispositivos para poder partir quando é ligado diretamente à rede sem um conversor estático. Este dispositivo, nos motores do laboratório, é uma gaiola de esquilo também chamada de enrolamento amortecedor. A Fig. 8 mostra a distribuição de fluxo magnético na partida de uma máquina deste tipo. Já a Fig. 9 dá um exemplo da distribuição de correntes induzidas nas barras da gaiola na mesma condição de rotor bloqueado. Fig. 8. Distribuição de fluxo magnético na partida de um motor síncrono. Fig. 9. Correntes induzidas na gaiola durante a partida de um motor síncrono.

7 1) Ligações do motor síncrono e do gerador de corrente contínua Efetuar as ligações conforme esquema de ligações apresentados nas Fig. 10 e 11. Não esquecer de curto-circuitar o amperímetro conectado ao estator do motor. Curto-circuitar igualmente o enrolamento de campo do motor. Fig. 10. Esquema de ligações do motor síncrono. 2) Acionamento do motor síncrono a) Ligar o barramento de corrente alternada. b) Gradativamente aplicar tensões trifásicas com o auxílio do Varivolt até se alcançar a tensão nominal de 230 Volts de linha. O motor síncrono parte de modo assíncrono com o auxílio dos enrolamentos amortecedores presentes no rotor. c) Retirar o curto circuito do enrolamento de campo. Retirar o terminal A do descanso e colocá-lo sobre o terminal do campo que não estava conectado (terminal 2). Ligar o barramento de corrente contínua e, variando o reostato, injetar entre 0.4 A e 0.5 A de corrente contínua no enrolamento de campo. d) Retirar o curto-circuito do amperímetro que está ligado ao estator do motor.

8 Fig. 10. Esquema de ligações do gerador de corrente contínua 3) Operação do gerador e ensaio a) Com uma fonte de corrente contínua alimentar o campo do gerador de maneira a ultrapassar a sua tensão nominal que é de 220 Volts. Tal procedimento visa a evidenciar a saturação magnética. A tensão pode ser de cerca de 250 Volts. Anotar Va e I f. b) Reduzir gradativamente a excitação do campo e anotar os pares Va e I f. Esta variação pode ficar em torno de 10 Volts. Quando for atingida a parte linear da curva de magnetização não há necessidade de variações tão pequenas. c) O último ponto de medição corresponde à tensão residual. Esta medição V a é efetuada desligando-se a fonte do campo. 4) Desligar o motor síncrono a) Curto-circuitar novamente o amperímetro ligado em série com o estator do motor. b) Com o reostato diminuir ao mínimo a corrente de campo do motor. c) Desligar a botoeira do barramento de corrente contínua. d) Colocar o terminal A no descanso (ponto 2). e) Curto-circuitar o enrolamento de campo.

9 f) Diminuir a tensão aplicada no estator do motor com o Varivolt. g) Desligar a botoeira de corrente alternada. 5) Traçar a curva de tensão de armadura versus corrente de campo. Referências [1] N.Sadowski, Notas de Aula de EEL7201-Aspectos Construtivos e Análise de Máquinas Elétricas, Florianópolis, Maio de [2] Manual do software EFCAD, Versão 7.0, [3] Mayergoyz, I.D., Mathematical Models of Hysteresis, Springer-Verlag, New York, [4] Bertotti, G., Hysteresis in Magnetism for Physicists, Materials Scientists and Engineers, Academic Press, San Diego, 1998.

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