Gustavo Roberto

( robertovasco@hotmail.com ) – 24/05/09

Existem vários tipos de excitatriz para geradores. Algumas são dispositivos eletromecânicos como geradores de corrente contínua com escovas ou alternadores com ponte retificadora na saída, geralmente montados no próprio eixo do gerador, o que permite o sistema brushless (sem escovas), como exemplifica um documento completo sob grupo gerador diesel, site: http://www.scribd.com/doc/6583490/Motor-Gerador .

Um exemplo do sistema brushless, é mostrado no site: http://www.geindustrial.com.br/download/manuais/motores/portugues/geep392p.pdf

O sistema de excitação também pode ser suprido por uma excitatriz estática. Um exemplo desse tipo é apresentado num documento do site:

http://www.grameyer.com.br/_en/produtos/manuais/MAN_GRT8-TH1.pdf

Vários tipos e concepções são encontrados no mercado.

AQUI ESTOU APRESENTANDO UM ESTUDO DE UM MODELO ANTIGO, cujo fabricante não consigo mencionar, pois em três peças estudadas, não havia placa de identificação nem esquema eletrônico, o que teve que ser cuidadosamente levantado e depois desenhado até o ponto mostrado na figura abaixo, onde também foi inserido uma chave “Liga Excitatriz” e um “relé auxiliar”, que fica fora da unidade e será montado no painel.

FUNCIONAMENTO INICIAL: quando o motor diesel movimenta o eixo do gerador, inicialmente não há tensão. No entanto existe um magnetismo residual (remanente) retida na “ferragem” das peças polares (característica dos materiais ferro magnéticos). Esse magnetismo remanente é suficiente para produzir uma pequena tensão na saída do gerador, que por um ramo do circuito da excitatriz (retificador não controlado – diodo), é transferido ao circuito das bobinas de excitação, que aumenta então o magnetismo, que por sua vez faz gerar uma tensão um pouco mais alta e assim sucessivamente, de modo que a tensão no gerador vai subindo, até chegar próximo da tensão nominal. Esse ramo é representado no circuito abaixo pelo diodo em série com o resistor de 1R(um ohm) e um fusível Dz25A. A malha completa é constituída da seguinte seqüência : Fase T1 Fusível UR63A J do campo K do campo diodo resistor 1R fusível Dz25A contato fechado do relé externo Fase R1.

Durante esse período, chamado escorva do gerador, o contator interno à unidade “K” ainda está desenergizado e seu contato fechado está mantendo o gate do tiristor em curto circuito, tornando-o inoperante.

Quando a tensão chega a um valor suficiente para atracar o contator “K”, cuja bobina é de 220VCA, aproximadamente 185VCA, o contato normalmente fechado se abre, elimina o curto circuito do gate e torna o tiristor hábil a receber pulsos.

Esse nível de tensão também comanda a entrada do relé externo que abre o circuito do diodo que antes alimentava o campo. Então o tiristor que já recebe os pulsos e está conduzindo proporcionalmente a freqüência destes, assume o trabalho de alimentar o circuito de campo.

A razão de usar um tiristor é fazer um retificador controlado de modo a manter a excitação do gerador num nível de estabilidade tal que garanta também a estabilidade da tensão em sua saída, principalmente em situações de adição de cargas que ao serem alimentadas provocam uma queda de tensão, que poderiam causar queda da excitação e outra vez queda de tensão sucessivamente até zerar a tensão de saída.

Então observa-se no esquema abaixo que existe um circuito que combina a referência de tensão vinda de um TP(transformador de potencial) e uma referencia de corrente, proveniente de um TC(transformador de corrente) instalado na fase S. Alem disso também estão presentes os potenciômetros de ajuste de min.(P4), max.(P5), aj.Grosso(P3), compensação(P1) e ajuste de tensão interno(P2) ou externo(P).

O sinal resultante dessa malha é que vai comandar o circuito eletrônico que produz os pulsos. Assim se for colocado mais carga na saída do gerador e a tensão cair, o sinal de resposta do TC inserido na malha compensará, pois o sinal “amostra de tensão” e o sinal de corrente transformado em queda de tensão no resistor de 1 ohm, estão em série. Ou seja um sinal diminuiu mas o outro aumentou, compensando-o. Assim o circuito produz mais pulsos para aumentar a tensão de excitação no campo fazendo com que a tensão de saída volte ao que era, até alcançar a estabilidade.

Notar que o TC está em paralelo com um resistor de 1R. Então a corrente que ele aplica sobre este produz um sinal de tensão. Uma amostra dessa é então retirada pelo potenciômetro (P1). A amostra da tensão, chega via potenciômetros (P5) e (P3) e (P2) ou (P). Esses dois sinais estão em série como foi dito. Uma idéia simplificada desse circuito seria a da figura a seguir:

Do meio de (P2) ou (P), sai o sinal de controle para o circuito eletrônico que produz pulsos.

Conclusão: A tensão de saída do gerador pode ser ajustada manualmente atuando-se o potenciômetro de ajuste de tensão, (P2) ou (P) e a elevação de corrente gera um sinal que fará a compensação, garantindo que a tensão de saída do gerador não cairá.

O circuito eletrônico é alimentado pela fase T1, via resistor de 22K e um diodo retificador, logo na entrada do cartão. Na saída deste, um diodo zener regula essa tensão em 22VCC.

O sinal referência proveniente da malha de realimentação acima citada, carrega um capacitor de 0,22uF. Quando a tensão deste alcança um nível suficiente, ocorre então sua descarga pelo circuito de base do transistor BC178, que então entra em saturação. Essa saturação provoca o carregamento de outro capacitor de 0,22uF interligada ao emissor do transistor de unijunção 2N4870. Quando essa tensão alcança um nível suficiente esse transistor conduz bruscamente, descarregando o capacitor, produzindo então um pulso. Então variando-se a amplitude do sinal na entrada do circuito eletrônico, os capacitores se carregam mais lento ou mais rápido o que significa que os pulsos produzidos podem deslocar-se no tempo de tal modo que é possível controlar o ponto da senoide onde o pulso se inicia,(ângulo de disparo). Uma vez que o disparo tenha ocorrido o tiristor fica conduzindo até zerar a corrente de manutenção dessa condução (próximo de onde a senoide passa por zero). Controlando-se o ângulo de disparo e então o ângulo de condução (período em que o tiristor fica conduzindo), controla-se então o valor médio da tensão VCC aplicada à carga.

Notar também a presença do diodo roda livre entre os pontos 19 e 20, paralelo com o circuito de campo. Isso protege o outro diodo e o tiristor contra picos de tensão reversa.

O OBJETIVO DOS ENSAIOS AQUI FOI:

- Verificar o funcionamento do retificador de meia onda sem o controle, com o diodo mencionado, aplicando-se tensões crescentes. No ensaio foi utilizada uma tensão escalonada de 50, 100 e 220 VCA.

- Verificar o funcionamento do retificador de meia onda controlado com o tiristor.

No ensaio foi utilizada uma tensão de 220 VCA e uma chave externa para comutar os pulsos. Como carga foi usado um grupo de lâmpadas 220 V, num total de 790 W.

As tensões de entrada (VCA) e de saída (VCC), foram medidas com um multímetro fluke true rms. As formas de onda da tensão de saída e dos pulsos de comando dos Gates do tiristor foram realizados com um osciloscópio ICEL – IC20, 20MHZ.

COMENTÁRIO:

A tensão de alimentação estava bastante baixa, cerca de 206 VCA, característico da fonte local. No entanto isso não comprometeu o funcionamento, porque o contator interno consegue atracar bem antes. Por outro lado a tensão de alimentação que a excitatriz efetivamente trabalha é de 190 VCA (tirada do fechamento do gerador, no meio das bobinas ou metade da tensão de 380 VCA).

As variações bruscas de cargas comutadas ao alimentador durante o período dos ensaios interferiram muito no funcionamento e por isso esses instantes foram desconsiderados.

DIAGRAMA DE CIRCUITO ELETRÔNICO COMPLETO

Autoria do desenho : Roberto Vasco, ( robertovasco@hotmail.com ) – 24/05/2009

FORMA DE ONDA NA SAÍDA E FORMA DE ONDA DOS PULSOS:

Primeiramente, algumas considerações são necessárias. O osciloscópio utilizado é de modelo mais antigo, IC20, analógico, 20 MHz. Alem disso estava bem descalibrado, não oferecendo boas possibilidades de ajustes de tensão e base de tempo. Mas isso não impediu que pudéssemos colher algumas informações importantes e deduzir o restante, baseado nas medições com um multímetro true rms e por cálculos feitos a partir das expressões matemáticas pertinentes. Na tela aparecem quatro ciclos. As formas de onda foram desenhadas manualmente da melhor forma que consegui fazer as proporções.

AJUSTES DO OSCILOSCÓPIO:

Para o Sinal de saída : 10 V/cm x 10 ; 5ms ; Para os Pulsos : 1V/cm ; 5ms

Por questão de comodidade na visualização e intenção de observar e comparar melhor as variações, foram colocados 4 ciclos na tela.

Como o osciloscópio não possui recursos de comunicação com um computador nem meios de fotografia, nem produz ao lado um relatório numérico dos valores de tensão e freqüência medidos, os dados foram copiado a mão observando a proporcionalidade em relação as quadrículas e feito o desenho que aparece abaixo.

CIRCUITO PARA AS MEDIÇÕES – LIGAÇÕES EXTERNAS :

A alimentação foi conectada ao alimentador trifásico, que estava em 206 VAC.

A carga foi um grupo de lâmpadas 220 VAC, total de 790 W.

O voltímetro usado foi um multímetro Fluke na escala de 200 VCC.

O Osciloscópio foi um ICEL, 20 MHz.

O potenciômetro foi um de 5KOhms, 10 voltas

A variação foi feita observando-se a saída, entre 0 e 80 VCC, embora o sistema trabalhe regulando em torno de 62,5 VCC.

Foram feitas três amostragens:65º 70,41VCC ; 127º 19,71VCC ; 155º  4,6 VCC

DIAGRAMA DE CIRCUITO – INTERNO

FORMAS DE ONDA – ANÁLISE

• O valor eficaz da tensão é o valor da tensão da rede medido com um multímetro na escala CA. No caso estudado foi considerado 220 VCA, para efeito de cálculos.

• O valor de pico máximo da senoide é 220 x raiz de 2 = 311 V

• Os valores de pico da onda no início, (logo que o tiristor foi gatilhado é:

• Vx = 331 x senx

• Para cada amostragem foi: 65º282V ; 127º248V ; 155º131V.

• O valor médio de tensão na carga, aquele medido com um multímetro na escala de CC, será dado conforme expressão a seguir, conforme: (http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/cap3/fg1.html).

A área verde da senoide é o período de condução.

Considerando o ângulo de disparo, o valor médio de tensão na carga será:

Vm = 0,225 x Vo x (1 + cosAº), então para:

65º  70,41V ;

127º  19,71V ;

155º  4,64 V

Falta agora comentar sobre o sinal aplicado desde o início quando se começa com uma tensão gerada pelo remanente e vai subindo conforme descrito no início. Antes de atingir a tensão suficiente para atracar o contator, confome foi dito, a tensão que chega à carga procede do retificador de meia onda não controlado (diodo). Então essa tensão varia desse mínimo, cerca de 5 VCA.ef até aproximadamente 185 VCA.ef, quando então o contator interno atraca. O sinal que aparece na carga, é uma semi-senoide com essa variação. No desenho a seguir vemos então senoides de mesmo período porem de amplitdes diferentes. No desenho foi idealizado os valores eficazes de 22, 50, 110 e 220 VCA. Somente a parte do semi-ciclo positivo alimenta a carga.

O valor médio da tensão VCC que se mede na carga pode ser calculado com a expressão anteriormente apresentada, ou essa : VCC = Vp/π,

conforme: http://ivairsouza.com/circuitos_retificadores.pdf

Num segundo ensaio foi conectado no ponto correspondente do diagrama de circuito eletrônico, o devido TC e correntes de 3 e 5 A foram simuladas (O primário do mesmo (0 a 600 A) foi alimentado por uma fonte de corrente).

Observado na saída J;K da excitatriz a tensão ajustada em 62,5 VCC em situação de repouso (corrente = 0 A). Com o incremento de corrente (testado com 3 e 5 A), observou-se o incremento da tensão de saída, que logo se estabilizou pois a tensão de alimentação foi conservada em 220 VCA.

As condições disponíveis não permitiram reproduzir o teste ideal, ou seja, provocar uma queda de tensão causada pelo incremento de corrente, como aconteceria no funcionamento do gerador ao serem admitidas novas cargas. No entanto foi suficiente para observar que o circuito funciona perfeitamente a despeito da simplicidade do projeto, atendendo a finalidade a que se propõe.

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