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Compreendendo o gerador de derivação DC

Quando você olha para um gerador CC shunt, você começa a ver como suas peças e caminhos elétricos funcionam juntos para produzir energia CC constante.Você obtém uma imagem mais clara de como a tensão é criada, como a corrente se divide pela máquina e o que afeta a saída conforme a carga muda.As ideias se complementam de maneira simples, o que ajuda você a entender como o gerador mantém a tensão estável e por que ele é usado em tantas configurações práticas.

Catálogo

Figura 1. Gerador de derivação CC

O que é um gerador de derivação DC

Um gerador shunt DC é uma máquina de corrente contínua na qual o enrolamento de campo é conectado em paralelo com a armadura de modo que ambos os enrolamentos compartilhem a mesma tensão terminal, e como o campo shunt é enrolado com muitas voltas de fio fino e, portanto, tem resistência relativamente alta, ele consome apenas uma corrente pequena e constante que produz o campo magnético necessário para a geração;essa corrente de campo estável ajuda o gerador a manter uma tensão de saída quase constante sob condições de carga variadas, razão pela qual a máquina é comumente escolhida para aplicações que precisam de uma fonte CC confiável.

A maioria dos geradores shunt DC operam como máquinas autoexcitadas que dependem de uma pequena quantidade de magnetismo residual nos núcleos dos pólos para iniciar a produção de tensão, uma vez que a armadura rotativa primeiro induz uma pequena tensão terminal desse fluxo residual, a tensão induzida alimenta o enrolamento do campo shunt e fortalece o fluxo magnético, e à medida que o campo aumenta, a tensão gerada aumenta até que o gerador atinja seu nível normal de operação.

Partes básicas de um gerador DC Shunt

Figura 2. Estrutura do Gerador DC

A estrutura básica de um gerador CC em derivação é evidente no diagrama, onde os principais componentes magnéticos e rotativos estão dispostos concentricamente em torno do centro. eixo, que transmite torque mecânico e suporta o conjunto rotativo.O exterior jugo forma a estrutura da máquina, proporcionando suporte mecânico e um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético entre os pólos, e o sapatos pólo anexado ao postes ajude a espalhar o fluxo uniformemente pelo entreferro;enrolado em cada pólo está o enrolamento do campo shunt, que consiste em muitas voltas de fio fino e de resistência relativamente alta que estabelece o campo magnético constante quando energizado.

Montado no eixo dentro do campo está o núcleo de armadura, construído em aço laminado para limitar as perdas de ferro e dotado de ranhuras que abrigam o condutores de armadura, que são os condutores nos quais a tensão é induzida à medida que o rotor gira através do campo magnético;adjacente à armadura o comutador compreende isolado segmentos de cobre que conectam os enrolamentos rotativos ao circuito externo e convertem as tensões alternadas internamente em uma saída unidirecional, enquanto pincéis de carbono ou grafite assentado em porta-escovas mantenha contato deslizante com o comutador para transferir corrente.O conjunto rotativo é apoiado por rolamentos que preservam o alinhamento e reduzem o atrito, e tampas finais e tconexões terminais complete a montagem protegendo as peças internas e fornecendo pontos seguros para fiação externa.

Como funciona um gerador DC Shunt

Indução Eletromagnética

Um gerador shunt DC opera com base no princípio de indução eletromagnética , descrita pela lei de Faraday, onde uma força eletromotriz é produzida quando os condutores se movem através de um campo magnético.À medida que a armadura gira, seus condutores cortam o fluxo magnético e uma tensão induzida aparece neles, e como a armadura continua girando, a direção dessa tensão induzida alterna à medida que cada condutor se move através de lados opostos do campo magnético durante a rotação.A tensão interna é, portanto, de natureza alternada, embora sua forma alternada não apareça na saída porque o comutador a modifica antes de chegar aos terminais.

Papel do comutador

Figura 3. Comutador e escovas

O comutador garante que o gerador forneça uma saída unidirecional invertendo as conexões da bobina nos pontos apropriados da rotação para que a tensão aplicada ao circuito externo mantenha a mesma polaridade.À medida que a armadura gira, os segmentos do comutador e as escovas deslocam as conexões de uma forma que alinha a tensão induzida para formar uma corrente contínua nos terminais.Sem esta comutação mecânica contínua, a tensão alternada dentro da armadura atingiria a carga como corrente alternada em vez de CC.

Processo de autoexcitação

Figura 4. Circuito Gerador Shunt Autoexcitado

Um gerador shunt DC inicia sua própria corrente de campo a partir da pequena quantidade de magnetismo residual nos núcleos dos pólos e, à medida que a armadura gira, esse fluxo residual induz uma tensão inicial que aparece através da armadura e alimenta o enrolamento do campo shunt, fazendo com que o campo magnético se fortaleça;à medida que o campo cresce, a armadura induz uma tensão maior, que por sua vez aumenta a corrente de campo até que o gerador atinja sua tensão normal de operação, com o regulador de campo mostrado no diagrama permitindo o ajuste controlado desse acúmulo.O processo continua até que as condições magnéticas e elétricas atinjam o equilíbrio, ponto em que o gerador mantém uma tensão operacional constante sem uma fonte externa de excitação.

Fórmula EMF do Gerador DC

A tensão produzida em um gerador DC é descrita pela expressão padrão:

$$E_g=\frac{P\varphi ZN}{60\mathrm{Um}}$$

que representa o gerado CEM em condições sem carga.Cada termo da equação identifica uma propriedade física que influencia a tensão induzida. P é o número de pólos na máquina, e ϕ é o fluxo magnético por pólo.O símbolo Z refere-se ao número total de condutores de armadura, enquanto N é a velocidade de rotação medida em rotações por minuto.A quantidade Um representa o número de caminhos paralelos no enrolamento da armadura, que depende de como o enrolamento está organizado.

Esta fórmula mostra como o EMF gerado varia com a construção da máquina e a velocidade de operação.Quando o fluxo magnético ou a velocidade aumenta, a tensão induzida aumenta de forma direta e previsível, e você pode notar que adicionar mais condutores tem um efeito semelhante.O número de caminhos paralelos funciona na direção oposta, pois dividir o enrolamento em mais caminhos reduz a tensão em cada um deles.A equação também serve como um lembrete de que ela prevê o EMF de circuito aberto ideal, uma vez que não inclui quedas internas causadas por resistência ou outras perdas dentro do gerador.

Como a corrente flui em um gerador shunt

Caminhos atuais e suas funções

Em um gerador shunt CC, a corrente produzida na armadura se divide em dois caminhos distintos ao atingir os terminais.Uma parte torna-se a corrente de campo shunt, que flui através do enrolamento de campo, e a outra parte torna-se a corrente de carga, que alimenta o circuito externo.Essa relação é expressa por

$${\mathrm{eu}}_{\mathrm{um}}={\mathrm{eu}}_{\mathrm{eu}}+{\mathrm{eu}}_{\mathrm{eh}}$$

e mostra que a corrente de armadura deve sempre ser igual à soma das correntes dos dois ramos.A corrente de campo permanece relativamente pequena porque o enrolamento shunt tem alta resistência, mas desempenha um papel crítico ao estabelecer o campo magnético que permite ao gerador manter uma tensão estável.Já a corrente de carga varia de acordo com a demanda elétrica conectada ao gerador.

Fórmulas para Corrente e Tensão

A corrente do campo shunt é determinada pela tensão terminal e pela resistência do enrolamento do campo shunt e é dada por:

$${\mathrm{eu}}_{\mathrm{eh}}=\frac{V}{R_{\mathrm{eh}}}$$

onde V é a tensão terminal e Rsh é a resistência do enrolamento de campo.A própria tensão terminal depende do EMF gerado e das quedas internas dentro da máquina.Isso é expresso por:

$$V=E_g-{\mathrm{eu}}_{\mathrm{um}}{R}_{\mathrm{um}}-V_{\mathrm{br}}$$

onde Eg é o EMF gerado, Ra é a resistência da armadura e Vbr representa a pequena queda de tensão nas escovas.A equação pode ser reorganizada para resolver o EMF gerado, dando

$$E_g=V+{\mathrm{eu}}_{\mathrm{um}}{R}_{\mathrm{um}}+V_{\mathrm{br}}$$

o que é útil ao determinar a tensão induzida antes que as perdas sejam consideradas.Estas expressões mostram como a resistência da armadura e a queda de contato da escova reduzem a tensão terminal sob carga, uma vez que correntes maiores resultam em quedas de tensão internas maiores.Você pode notar como essas relações ajudam a descrever o comportamento elétrico do gerador à medida que as condições mudam.

Como a tensão aumenta em um gerador DC Shunt

O aumento de tensão em um gerador CC depende de três condições essenciais que permitem à máquina excitar seu próprio campo e atingir uma tensão operacional estável.O primeiro requisito é a presença de magnetismo residual nos núcleos dos pólos, que fornece o fluxo magnético inicial necessário para produzir uma pequena tensão induzida quando a armadura começa a girar.O segundo requisito é que a polaridade do enrolamento de campo reforce este fluxo inicial, uma vez que qualquer polaridade incorreta enfraqueceria em vez de fortalecer o campo magnético.O terceiro requisito é que a resistência do campo shunt seja inferior à resistência crítica para que a pequena tensão inicial possa produzir corrente de campo suficiente para aumentar o fluxo magnético.Estas condições permitem que a tensão induzida cresça gradualmente a partir do valor inicial e estabeleça o nível normal de operação.

O processo pode ser entendido examinando a curva de magnetização do gerador ao longo da linha reta que representa o circuito de campo.A linha de resistência do campo, definida pela relação ${\mathrm{eu}}_{\mathrm{eh}}=\frac{V}{R_{\mathrm{eh}}}$, tem uma inclinação determinada pela resistência do campo.Sua interseção com o curva de magnetização identifica a tensão e a corrente de campo nas quais o gerador irá operar.Se a inclinação da linha de resistência do campo for muito rasa, ela não cruzará a curva de magnetização e a tensão não aumentará.A maior resistência que ainda permite uma interseção é conhecida como resistência crítica ​R_C.Quando a resistência do campo é mantida abaixo deste valor, a autoexcitação torna-se possível.

A velocidade do gerador também desempenha um papel significativo porque aumentar a velocidade aumenta toda a curva de magnetização.Uma curva mais alta torna mais provável a intersecção com a linha de resistência do campo, enquanto uma curva mais baixa pode mover o ponto operacional abaixo do limite requerido.Como resultado, tanto as condições do circuito de campo quanto a velocidade de operação determinam se o gerador irá acumular tensão com sucesso e mantê-la sob operação normal.

Características do gerador de derivação DC

Um gerador shunt CC exibe diversas curvas características que descrevem como sua tensão se comporta sob diferentes condições, e essas curvas ajudam a explicar as relações entre corrente de campo, corrente de armadura e tensão terminal.

Característica de Circuito Aberto (OCC)

Figura 5. Característica de Circuito Aberto

A característica de circuito aberto descreve como o EMF gerado por um gerador CC muda com a corrente de campo quando a máquina funciona a uma velocidade constante sem carga anexada.No diagrama, as curvas crescentes mostram como a tensão induzida aumenta acentuadamente em correntes de campo baixas porque o circuito magnético está insaturado, de modo que pequenos aumentos na excitação produzem aumentos perceptíveis no fluxo e na EMF.À medida que a corrente de campo cresce, cada curva se estabiliza gradualmente, o que indica o início da saturação magnética, onde a excitação adicional produz apenas um pequeno aumento na tensão.

As diferentes curvas para N₁, N₂ e N₃ ilustram como a mesma relação muda com a velocidade, uma vez que velocidades mais altas produzem EMF mais altas para uma determinada corrente de campo, enquanto velocidades mais baixas reduzem tanto a inclinação quanto a tensão máxima.Juntas, as curvas mostram a natureza não linear do processo de excitação sob condições sem carga e fornecem a referência contra a qual as características carregadas do gerador são interpretadas.

Característica Interna

A característica interna mostra como o EMF gerado varia com a corrente de armadura quando o gerador está alimentando uma carga.À medida que a corrente flui na armadura, o seu próprio campo magnético interage com o campo principal, e este efeito, conhecido como reação da armadura, reduz o fluxo efetivo.Como o EMF induzido depende desse fluxo, a tensão gerada sob carga é ligeiramente inferior ao valor indicado pela curva de circuito aberto para o mesmo nível de excitação.A característica interna é essencialmente o OCC ajustado para a redução no fluxo causado pela corrente de armadura.

Característica Externa

Figura 6. Curva Característica Externa

A característica externa representa graficamente a tensão terminal em relação à corrente de carga e mostra como a tensão disponível nos terminais cai à medida que o gerador alimenta uma carga crescente;as principais causas desse declínio são a queda de tensão ôhmica na resistência da armadura e a pequena queda de contato da escova, e o diagrama rotula a redução ôhmica imediata como um deslocamento descendente, enquanto uma redução adicional surge da reação da armadura, o que enfraquece o fluxo efetivo e produz uma perda de tensão adicional.Como a corrente do campo shunt permanece quase constante com a carga, a tensão terminal normalmente cai apenas gradualmente, em vez de entrar em colapso, e a característica externa, portanto, fornece a curva prática usada para avaliar a regulação da tensão e a capacidade do gerador de manter a tensão sob condições reais de operação.

Testando um gerador shunt CC sob carga

Um teste de carga em um gerador CC shunt é realizado para observar o desempenho da máquina sob demanda elétrica crescente e para determinar os valores necessários para avaliar suas características e regulação de tensão.

Configuração e procedimento de teste

Figura 7. Configuração de teste do gerador shunt

Um teste de carga começa com o gerador disposto de forma que as principais grandezas elétricas possam ser observadas e ajustadas com precisão.O diagrama descreve a configuração típica, mostrando a armadura que fornece a tensão induzida, o campo shunt conectado através dos terminais e a carga externa colocada de modo que sua corrente possa ser medida.Um voltímetro é colocado na saída, amperímetros são instalados nos circuitos de carga e de campo e um tacômetro é posicionado para monitorar a velocidade.Os reostatos no campo e nos caminhos de carga permitem mudanças controladas na excitação e no carregamento sem alterar as conexões básicas.

Quando os instrumentos e controles estão prontos, o motor principal é levado suavemente até a velocidade nominal e, quando a velocidade se estabiliza, o reostato de campo é ajustado para que a tensão terminal atinja seu valor nominal sem carga.A carga é então aumentada em pequenos passos, e em cada passo a tensão terminal, as correntes de campo e de carga, a corrente de armadura e a velocidade são registradas, mantendo a velocidade tão constante quanto possível.Este aumento gradual continua até a condição de plena carga, fornecendo as medições necessárias para avaliar como a saída elétrica do gerador muda à medida que a carga aumenta.

Medições e Cálculos

Os valores que precisam ser registrados em cada ponto de carga incluem tensão terminal, corrente de carga, corrente de campo, corrente de armadura e velocidade.A partir dessas medições, a corrente de armadura é encontrada usando

$${\mathrm{eu}}_{\mathrm{um}}={\mathrm{eu}}_{\mathrm{eu}}+{\mathrm{eu}}_{\mathrm{eh}}$$

o que mostra que a armadura transporta tanto a corrente de carga quanto a corrente de campo.O EMF gerado é então determinado a partir de

$$E_g=V+{\mathrm{eu}}_{\mathrm{um}}{R}_{\mathrm{um}}+V_{\mathrm{br}}$$

onde V é a tensão terminal, R_um é a resistência da armadura, e V_br é a queda do pincel.Esses cálculos fornecem as informações necessárias para traçar as características internas e externas e comparar como o gerador se comporta sob diferentes condições elétricas.

Regulação de tensão

A regulação de tensão é usada para mostrar o quanto a tensão terminal muda de sem carga para carga total.É dado pela relação

$$\%\mathrm{Regulamento}=\frac{V_{\text{sem carga}}-V_{\text{carga total}}}{V_{\text{carga total}}}\times 100$$

e indica a capacidade do gerador de manter sua produção conforme a carga varia.Uma percentagem mais baixa reflecte um melhor desempenho porque significa que o gerador pode manter a sua tensão de forma mais fiável ao fornecer corrente a um circuito externo.

Perdas e eficiência do gerador de derivação CC

As perdas em um gerador shunt CC influenciam a quantidade de energia útil que o máquina pode fornecer e afetar sua temperatura interna durante operação.

Figura 8. Distribuição de Perdas do Gerador

Perdas de cobre

As perdas de cobre ocorrem tanto na armadura quanto nos enrolamentos de campo shunt porque a corrente flui através de sua resistência.Estas perdas aumentam com o quadrado da corrente e tornam-se mais significativas em cargas mais elevadas, causando acumulação de calor e reduzindo a produção utilizável do gerador.

Perdas principais

As perdas no núcleo, também chamadas de perdas no ferro, ocorrem no núcleo da armadura à medida que ele gira através do campo magnético.Eles consistem na perda de histerese da magnetização repetida do material do núcleo e na perda de correntes parasitas das correntes circulantes induzidas no ferro.Estas perdas dependem principalmente da densidade do fluxo e da velocidade de rotação e contribuem para o aumento da temperatura no núcleo.

Perdas de escova

As perdas nas escovas surgem da queda de tensão na interface entre as escovas de carvão e o comutador.À medida que a corrente passa por este ponto de contato, uma queda de tensão pequena, mas constante, resulta em dissipação de energia.A magnitude da perda depende do material da escova, da pressão de contato, do nível de corrente e da condição do comutador, e se soma diretamente às perdas elétricas internas do gerador.

Perdas Mecânicas

As perdas mecânicas incluem o atrito do rolamento e o atrito do ar atuando na armadura rotativa.Estas perdas são em grande parte independentes da carga elétrica e reduzem a potência mecânica disponível para conversão em saída elétrica.

Perdas de carga perdida

As perdas de carga parasita são causadas por pequenas distorções magnéticas, fluxo de fuga e distribuição de corrente não uniforme quando o gerador transporta carga.Embora relativamente pequenos, contribuem para a perda total e afetam tanto a eficiência como o aumento da temperatura sob condições operacionais.

Fórmula de Eficiência

A eficiência descreve quão bem o gerador converte a energia de entrada mecânica em saída elétrica.É expresso por

$$\eta =\frac{P_{\mathrm{fora}}}{P_{\mathrm{fora}}+\text{Perdas totais}}$$

onde P_fora é a saída elétrica entregue à carga.A potência de saída é calculada usando

$$P_{\mathrm{fora}}=V{\mathrm{eu}}_{\mathrm{eu}}$$

com V representando a tensão terminal eeu_eu a corrente de carga.Esta relação mostra que a eficiência depende de quanta potência chega à carga em comparação com as perdas totais dentro do gerador.

Vantagens e Limitações

Vantagens	Limitações
Construção simples e baixo custo	Requer espaço horizontal ou vertical significativo
Leve e fácil de transportar ou instalar	Muitas vezes precisa de um sintonizador de antena ou rede correspondente
Boa radiação de baixo ângulo para comunicação de longa distância	Largura de banda estreita para muitas configurações de fios
Baixo perfil visual, pode ser escondido ou pendurado em árvores	O desempenho diminui quando objetos próximos desafinam a antena
Captação de ruído elétrico geralmente baixa em comparação com alguns setores verticais	Suscetível a quedas de raios e requer aterramento
Pode ser construído em vários formatos (dipolo, fio longo, loop) para maior flexibilidade	As alimentações de linha de alimentação e de fio único podem irradiar sinais indesejados
Alta eficiência de radiação quando construída com materiais de alta condutividade	A corrosão e o desgaste do material reduzem o desempenho a longo prazo
Suportes leves e montagem simples reduzem o custo de instalação	Requer suportes confiáveis (postes, árvores) e tensionamento
Eficaz para operação multibanda com design ou traps apropriados	Ganho menor do que conjuntos de antenas direcionais em instalações compactas
Baixa manutenção para tipos de fios básicos quando devidamente protegidos	Fatores ambientais (umidade, vento, gelo) afetam a estabilidade e o ajuste

Aplicações comuns de geradores DC Shunt

Figura 9. Aplicações de Geradores DC Shunt

Os geradores shunt CC são amplamente utilizados em situações que exigem uma saída CC estável e confiável, uma vez que sua capacidade de manter uma tensão terminal quase constante suporta processos e equipamentos que dependem de condições elétricas estáveis.Eles são comumente aplicados no carregamento de baterias, onde a tensão controlada ajuda a evitar danos às células e permite que o processo de carregamento siga um padrão previsível.Sua saída estável também os torna adequados para galvanoplastia e outras operações eletroquímicas, que dependem de tensão consistente para garantir deposição uniforme de metal e resultados confiáveis.

Em muitos ambientes de laboratório, essas máquinas operam como fontes de alimentação CC porque fornecem uma referência confiável para trabalhos de teste e medição.Eles também fornecem excitação de campo para alternadores, fornecendo a corrente regulada necessária para produzir o campo magnético em geradores CA maiores.Alguns tipos de equipamentos de soldagem também utilizam geradores de derivação CC, uma vez que um arco uniforme e ininterrupto depende de uma fonte de tensão que não varia significativamente sob carga.Nessas aplicações, a capacidade do gerador de manter sua tensão estável é a principal razão para seu uso, pois oferece suporte à operação previsível e ajuda a proteger equipamentos que dependem de energia CC controlada.

Conclusão

Um gerador shunt CC oferece uma maneira estável e confiável de produzir energia CC, e aprender como ele funciona ajuda a entender o que afeta sua tensão e corrente.Você vê como os campos magnéticos, a velocidade e os caminhos do circuito se unem para moldar o comportamento do gerador.As curvas características facilitam a visualização de como a saída muda à medida que a carga aumenta.Quando você olha para as perdas e a eficiência, você também vê para onde vai a energia dentro da máquina.Com todas essas ideias conectadas, você terá uma visão mais clara de por que esse tipo de gerador funciona de maneira tão confiável no uso diário.