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Quando estudamos motores elétricos vimos que ao aplicar uma tensão CC nos terminais do motor, ele desenvolve um torque dando origem ao movimento de rotação. Logo, transforma energia elétrica em energia mecânica. No caso dos geradores, o processo é exatamente o inverso, ou seja, aplicamos um torque no eixo do gerador, por algum meio mecânico, obtendo uma tensão elétrica em seus terminais. Da mesma forma que nos motores, nos geradores também devemos aplicar uma tensão no enrolamento de campo para produzir um campo magnético. Assim, quando o gerador entrar em movimento de rotação, as espiras que estão alojadas no rotor desenvolverão uma força magnetomotriz (fmm) induzida, que obedece a lei de Faraday, e vamos denominá-la de E_A. Esta tensão induzida, para aparecer nos terminais de saída do gerador, deve vencer a queda de tensão na resistência R_A de armadura. Dessa forma, vamos obter uma tensão CC na saída do gerador, que vamos denominar de V_g. Então, a equação que governa o funcionamento de um gerador elétrico é expresso pela eq. 104-01.

Esta equação nos diz que a força magnetomotriz (fmm), ou E_A, subtraída a queda de tensão na resistência do enrolamento de armadura deve ser igual a tensão V_g que aparece nos terminais de saída do gerador. Dessa equação, podemos derivar mais duas, ou:

Esta equação nos permite calcular a força magnetomotriz (fmm) induzida na armadura quando conhecemos as outras variáveis.

Esta equação nos permite calcular a corrente de armadura. Note que todas essas equações são de fácil compreensão se observarmos a Figura 104-01, onde apresentamos o circuito equivalente de um gerador CC em uma configuração com excitação independente.

Observe que em comparação com o circuito equivalente de um motor, no caso do gerador, a corrente de armadura I_A está saindo pelo terminal positivo indo alimentar a carga conectada aos extremos dos terminais de saída do gerador. No circuito do enrolamento de campo temos a mesma configuração de um motor. Vale salientar que para o caso do motor elétrico devemos dispor de duas fontes de tensão. Uma para alimentar o circuito do enrolamento de campo e outra para alimentar a armadura. No caso do gerador, devemos ter só uma fonte de tensão para o circuito do enrolamento de campo. A armadura do gerador se comporta como uma fonte de tensão.

Cabe ressaltar que em máquinas CC, como temos a presença das escovas em contato com o comutador, as quais conduzem a corrente de armadura, isso origina uma queda de tensão adicional no circuito de armadura. Esta queda de tensão, simbolizada por V_B, deve ser subtraída na eq. 104-01, conforme explicita a eq. 104-04. Então, dependendo do autor, alguns problemas farão menção à tensão V_B. Em geral, caso não seja especificado em contrário, a queda de tensão nas escovas é da ordem de 1 V a 2 V quando temos duas escovas operando em série e podemos considerá-la independente da corrente de armadura.

Toda a teoria de motor elétrico CC é aplicável aos geradores. Portanto, agora vamos estudar as várias maneiras de se conectar um gerador CC, como fizemos no capítulo referente aos motores.

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3.   Tipos de Geradores CC

Os quatro tipos básicos de geradores CC são os chamados geradores Excitação Independente, Shunt, Série e Composto. As diferenças entre os tipos de geradores são devidos à maneira como é produzida a excitação do enrolamento de campo polar. Assim, como o propósito do gerador é produzir uma tensão CC por conversão de energia mecânica em energia elétrica, uma porção desta tensão CC é utilizada para alimentar o enrolamento de campo magnético estacionário. Vamos estudar separadamente cada caso.

    3.1   Gerador CC com Excitação Independente

Um gerador de excitação independente é um gerador cuja corrente de campo é suprida por uma fonte de tensão CC externa separada. O circuito equivalente dessa máquina está mostrado na Figura 104-01. Nesse circuito, a tensão V_g representa a tensão real medida nos terminais do gerador e a corrente I_L representa a corrente que circula na carga conectada aos terminais de saída. A tensão gerada interna é E_A e a corrente de armadura é I_A. Está claro que em um gerador de excitação independente a corrente de linha é igual à corrente de armadura, conforme a eq. 104-05.

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    3.1.1   Controle da Tensão de Saída

A tensão de saída de um gerador CC de excitação independente pode ser controlada mudando a tensão interna gerada pela máquina, ou seja, E_A. Pela lei de Kirchhoff das tensões, temos a eq. 104-01, onde V_g = E_A - R_A I_A. Assim, se E_A aumentar, então V_g aumentará e, se E_A diminuir, V_g diminuirá. Como a tensão interna gerada E_A é dada pela eq. 103-11 onde E_A = K Φ ω há dois modos possíveis de controlar a tensão desse gerador:

Como a tensão gerada interna E_A é independente de I_A, a característica de saída do gerador de excitação independente é uma linha reta, como está representada pela linha vermelha na Figura 104-02. Isso acontece quando o gerador não tem carga (a vazio) ou ela é muito pequena. O que acontece em um gerador desse tipo quando a carga é aumentada? Quando a carga fornecida pelo gerador é aumentada, I_L (e portanto I_A) aumenta. À medida que a corrente de armadura sobe, a queda R_A I_A cresce, de modo que a tensão de saída do gerador cai, conforme indica a linha azul na Figura 104-02.

Em muitas aplicações, a faixa de velocidade da máquina motriz é bem limitada, de modo que é mais comum controlar a tensão de saída pela variação da corrente de campo.

Essa característica de saída nem sempre é inteiramente exata. Em geradores sem enrolamentos de compensação, um aumento em I_A causa elevação da reação de armadura, a qual leva a um enfraquecimento de fluxo. Isso causa uma diminuição em E_A, o que diminui mais ainda a tensão de saída do gerador. Em todos os gráficos futuros, assumiremos que os geradores têm enrolamentos de compensação, a menos que seja expresso o contrário. Entretanto, é importante ter em conta que, se os enrolamentos de compensação não estiverem presentes, a reação de armadura poderá modificar as características.

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    3.1.2   Análise Não-Linear de um Gerador

Como a tensão interna gerada de um gerador é uma função não linear de sua força magnetomotriz, não é possível calcular de forma simples o valor de E_A esperado para uma dada corrente de campo. A curva de magnetização do gerador deve ser usada para calcular com exatidão sua tensão de saída para uma dada tensão de entrada.

Além disso, se uma máquina tiver reação de armadura, então seu fluxo será reduzido a cada incremento de carga, fazendo E_A diminuir. A única maneira de se determinar com exatidão a tensão de saída em uma máquina com reação de armadura é pelo uso de análise gráfica.

Na Figura 104-03 vemos um gráfico onde temos uma resistência pura como carga, Z_L. O ponto de interseção entre a reta de V_g e a reta de Z_L, determina o valor da corrente na carga.

A força magnetomotriz (fmm) total de um gerador de excitação independente é a força magnetomotriz do circuito de campo menos a força magnetomotriz devido à reação de armadura, conforme a eq. 104-06.

Como ocorre com os motores CC, costuma-se definir uma corrente de campo equivalente, representada por I_Feq, como a corrente que produziria a mesma tensão de saída como resultado da combinação de todas as forças magnetomotrizes presentes na máquina. A tensão resultante E_A0 pode ser determinada localizando a corrente de campo equivalente sobre a curva de magnetização. A corrente de campo equivalente de um gerador CC de excitação independente é dada por:

Não esquecendo que a diferença entre a velocidade na curva de magnetização e a velocidade real do gerador deve ser levada em consideração usando a eq. 103-21, repetida abaixo.

Para fixar estes conceitos é importante ver o problema 104-02   clicando aqui!

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    3.2   Gerador Shunt

Quando alimentamos o enrolamento de campo através de toda (ou quase toda) a tensão de linha produzida entre as escovas da armadura, o gerador CC é chamado Gerador Shunt. A Figura 104-04 mostra o digrama completo de um gerador shunt.

O rotor, onde fica localizado o enrolamento de armadura, é representado pelos seguintes componentes: uma fonte de tensão induzida E_A, que possui um valor conforme a eq. 104-02; uma resistência R_A do enrolamento de armadura; e uma resistência R_B (não representada na figura) representando a resistência de contato entre as escovas e o comutador. Desta forma, o circuito completo de armadura consiste no enrolamento de armadura (que é a parte móvel) e dois enrolamentos opcionais, ou seja, o enrolamento de compensação L_C e o enrolamento dos interpolos L_i, ambos localizados no estator e fixos. O enrolamento de compensação L_C apresenta uma resistência que vamos denominar por R_C e o enrolamento dos interpolos L_i apresenta uma resistência que vamos denominar por R_i. O circuito equivalente mostrado na Figura 104-04 pode ser simplificado se agregarmos os valores das quatro resistências em série por uma única, que denominaremos de R_AS. Logo, R_AS = R_A + R_B + R_C + R_i. Lembrando que as indutâncias L_C e L_i não interferem, pois para corrente contínua elas representam um curto-circuito, ou seja, resistência nula. Veja na Figura 104-05 essa nova representação.

Pela Figura 104-05 claramente percebemos que os três circuitos, aqui representados pelo circuito de armadura, o circuito de campo e a carga, estão em paralelo. Nesse circuito, a corrente de armadura da máquina alimenta ambos, o circuito de campo e a carga ligada à máquina. Logo, pelo circuito concluímos que, para um gerador shunt, vale a relação mostrada na eq. 104-08.

Também devemos ressaltar que pelo fato dos três circuitos se encontrarem em paralelo, as tensões sobre cada um são as mesmas, ou seja V_A = V_g = V_L. Então, as correntes no circuito são facilmente calculadas conforme a eq. 104-03, eq. 104-09 e eq. 104-10. Abaixo, mostramos essas três equações.

Tenha em conta que na eq. 104-10, a carga Z_L pode ser uma carga puramente resistiva ou, uma carga complexa. E para este tipo de gerador é válida a eq. 104-01, ou seja:

Esse tipo de gerador tem uma vantagem evidente sobre o gerador CC de excitação independente porque não há necessidade de uma fonte de alimentação externa para o circuito de campo. No entanto, isso deixa uma questão importante sem resposta: quando é dada a partida, como ele consegue o fluxo inicial de campo para gerar E_A, se ele próprio supre a corrente de campo?

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    3.2.1   Geração Inicial da Tensão de Saída

Vamos considerar o caso inicial em que o gerador não tem uma carga conectada aos terminais de saída. Suponha que ao eixo do gerador está acoplado uma máquina motriz, como um motor elétrico ou ou motor a diesel, e este põe o eixo do gerador em rotação.

A pergunta é: como é gerada a tensão inicial nos terminais de saída do gerador? A produção inicial de uma tensão em um gerador CC depende da presença de um fluxo residual nos polos do gerador. Inicialmente, quando um gerador começa a girar, uma tensão interna será induzida, sendo dada pela eq. 103-11, mostrada abaixo para maior clareza.

Neste caso, estamos considerando Φ como um fluxo residual que existe nos campos polares do gerador, como já foi explicado anteriormente ( para ver clique aqui!)

Dessa forma, a tensão E_A surge nos terminais do gerador (pode ser apenas um ou dois volts). No entanto, quando isso ocorre, essa tensão faz circular uma corrente na bobina de campo do gerador, dada pela eq. 104-09. Essa corrente de campo produz uma força magnetomotriz nos polos, aumentando o fluxo neles. O incremento de fluxo causa um aumento em E_A, o que aumenta a tensão de terminal V_g. Quando V_g sobe, I_F cresce ainda mais, aumentando o fluxo Φ, o que aumenta E_A, gerando um processo em cadeia que só acaba quando a tensão da saída atinge o valor nominal estipulado de acordo com a curva de saturação magnética das faces polares. É esse efeito da saturação magnética das faces polares que impede o crescimento contínuo da tensão de saída do gerador.

Na partida, o que acontece se um gerador em derivação arranca e nenhuma tensão inicial é produzida? Que poderia estar errado? Há diversas causas possíveis para que a tensão inicial não seja produzida durante a partida. Vamos enunciar três possíveis causas. Sejam elas:

Como a tensão da curva de magnetização varia em função da velocidade do eixo, a resistência crítica também variará com a velocidade. Em geral, quanto menor for a velocidade do eixo, menor será a resistência crítica.

Para compreender a análise gráfica dos geradores shunt é fundamental lembrar a lei de Kirchhoff das tensões (LKT) já estudadas e representadas pelas equações eq. 104-01 e eq. 104-02, repetidas abaixo para maior compreensão.

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    3.2.2   Característica da Tensão de Saída

A característica de saída de um gerador CC shunt (ou derivação) é diferente da de um gerador de excitação independente, porque a corrente de campo da máquina depende de sua tensão de saída. Para compreender a característica de saída de um gerador shunt, vamos começar uma narrativa considerando que a máquina começa sem carga (a vazio) e aos poucos acrescentamos carga a ela.

À medida que a carga do gerador aumenta, I_L cresce e, portanto, I_A também cresce. Uma elevação de I_A aumenta a queda de tensão I_A R_A na resistência de armadura, fazendo V_g diminuir, conforme a eq. 104-01. Esse comportamento é precisamente o mesmo observado em um gerador de excitação independente. Entretanto, quando V_g diminui, a corrente de campo I_F da máquina diminui junto. Isso faz o fluxo da máquina diminuir, reduzindo também E_A. A queda em E_A causa uma nova diminuição na tensão de terminal V_g. A característica de saída resultante está mostrada na Figura 8-52. Observe que a queda de tensão é mais acentuada do que simplesmente a queda I_A R_A do gerador de excitação independente. Em outras palavras, a regulação de tensão desse gerador é pior do que a do mesmo tipo de equipamento em que a excitação é conectada em separado.

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    3.2.3   Controle da Tensão de Saída

Como no gerador de excitação independente, há dois modos para controlar a tensão de um gerador CC em derivação, quais sejam:

A variação da resistência de campo R_F é o método principal usado para controlar a tensão de saída dos geradores shunt reais. Se a resistência de campo R_F for diminuída, então a corrente de campo I_F subirá. Quando I_F aumenta, o fluxo da máquina também sobe, fazendo a tensão interna gerada E_A aumentar. O incremento em E_A faz com que a tensão de saída V_g do gerador também aumente.

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      3.2.4    Análise Não-Linear do Gerador

A Figura 104-07 mostra uma curva de magnetização para um gerador CC em derivação desenhada para a velocidade real de funcionamento da máquina. A resistência de campo R_F, que é simplesmente igual a V_g /I_F, é a linha reta sobreposta à curva de magnetização. A vazio, podemos escrever que V_g = E_A e o gerador opera na tensão em que a curva de magnetização intersecta a reta de resistência de campo.

Para compreender a análise gráfica dos geradores shunt é fundamental lembrar a lei de Kirchhoff das tensões (LKT) já estudadas e representadas pelas equações eq. 104-01 e eq. 104-02. Vamos repetí-las abaixo para maior compreensão.

A diferença entre a tensão interna gerada E_A e a tensão de saída V_g é simplesmente a queda R_A I_A da máquina. A linha com todos os valores possíveis de E_A é a curva de magnetização e a linha com todos as tensões possíveis de saída V_g é a reta de resistência. Portanto, para encontrar a tensão de saída para uma dada carga, simplesmente determine a queda R_A I_A e localize no gráfico o lugar onde essa queda se encaixa exatamente entre a curva E_A e a reta V_g. Há no máximo dois lugares na curva onde a queda R_A I_A irá se encaixar exatamente. Se houver dois locais possíveis, o que estiver mais próximo da tensão a vazio representará um ponto de funcionamento normal.

Se houver reação de armadura presente em um gerador CC em derivação, esse processo irá se tornar um pouco mais complicado. A reação de armadura produz uma força magnetomotriz desmagnetizante no gerador ao mesmo tempo que ocorre uma queda R_A I_A na máquina.

Para analisar um gerador com reação de armadura, assuma que sua corrente de armadura é conhecida. Então, a queda de tensão resistiva R_A I_A será conhecida. A tensão de saída desse gerador deve ser suficientemente elevada para suprir o fluxo do gerador depois que o efeito desmagnetizante da reação de armadura foi subtraído. Para atender essa exigência, a força magnetomotriz da reação de armadura e a queda R_A I_A devem se encaixar entre a curva E_A e a reta V_g. Para determinar a tensão de saída correspondente a uma dada força magnetomotriz, simplesmente localize o lugar abaixo da curva de magnetização onde o triângulo formado pelos efeitos da reação de armadura e de R_A I_A encaixam-se exatamente entre a reta de possíveis valores de V_g e a curva de possíveis valores de E_A. Veja a Figura 104-07.

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    3.3   Gerador Série

Quando a excitação é produzida por um enrolamento de campo ligado em série com a armadura, de modo que o fluxo produzido seja função da corrente de armadura e da carga, o gerador CC é chamado gerador série. A Figura 104-08 mostra o digrama completo de um gerador série. O campo série é excitado apenas quando a carga é ligada completando o circuito. Como o enrolamento de campo deve suportar toda a corrente de armadura, é construído com poucas espiras de fio com uma bitola que suporte essa corrente, ou seja, um fio grosso (grande diâmetro). Então, como a corrente de plena carga circula pelo campo, deve-se projetar esse campo em série para ter a menor resistência possível.

Note que a corrente de armadura, a corrente de campo e a corrente de linha têm todas o mesmo valor, ou seja:

Por outro lado, a lei de Kirchhoff das tensões para o gerador série é:

Como no caso anterior, o enrolamento de compensação, R_c, localizado entre os polos, e o enrolamento interpolar, R_i, estão incluídos em série com o enrolamento de armadura. Essa resistência total, quando se tratar de uma configuração série, denominamos de R_as. As outras variáveis já são conhecidas.

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    3.3.1   Característica da Tensão de Saída

          de um Gerador CC Série

A curva de magnetização de um gerador CC série assemelha-se muito à curva de magnetização de qualquer outro gerador. A vazio, entretanto, não há corrente de campo, de modo que V_g se reduz a um nível bem baixo devido ao fluxo residual presente na máquina. À medida que a carga cresce, a corrente de campo sobe, de modo que E_A eleva-se rapidamente. A queda de tensão I_A (R_A + R_as ) também aumenta, mas inicialmente o aumento de E_A resulta mais rapidamente do que o aumento na queda I_A (R_A + R_as ) e, consequentemente V_g sobe. Depois de um tempo, a máquina aproxima-se da saturação e E_A torna-se quase constante. Nesse ponto, a queda resistiva passa a ser o efeito predominante e V_g começa a cair.

Esse tipo de característica está mostrado na Figura 104-09. É óbvio que essa máquina se mostraria como uma fonte de tensão constante bem ruim. De fato, sua regulação de tensão é um número elevado negativo.

Os geradores em série são usados apenas em algumas poucas aplicações especializadas, nas quais a característica de queda acentuada de tensão do dispositivo pode ser explorada. Uma dessas aplicações é a soldagem a arco elétrico. Os geradores em série usados na soldagem a arco são projetados intencionalmente para ter uma reação de armadura elevada. Assim, quando os eletrodos de soldagem fazem contato entre si antes que se inicie propriamente a soldagem, uma corrente muito elevada circula. Quando o soldador afasta os eletrodos, há uma elevação muito acentuada na tensão do gerador, ao passo que a corrente permanece elevada. Essa tensão assegura que um arco de soldagem seja mantido através do ar entre os eletrodos.

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    3.4   Gerador Composto Cumulativo Shunt Longo

Quando a excitação do enrolamento de campo é produzida por uma combinação das duas configurações estudadas acima, ou seja, enrolamento de campo shunt excitado pela tensão de armadura (item 3.2) e o enrolamento de campo série excitado pela corrente de armadura ou corrente de linha (item 3.3), o gerador CC é denominado gerador composto. No caso do gerador composto é possível se estabelecer dois tipos de conexões, usualmente denominadas de composto cumulativo e composto diferencial. Um gerador CC composto cumulativo é um gerador CC que tem os campos em série L_S e em derivação L_F conectados de tal forma que as forças magnetomotrizes dos dois somam-se.

A Figura 104-10 mostra o circuito equivalente de um gerador CC composto cumulativo na conexão de derivação longa. Os pontos ou marcas que aparecem nas duas bobinas de campo têm o mesmo significado que os pontos em um transformador: a corrente que entra pela extremidade com ponto da bobina produz uma força magnetomotriz positiva.

Observe que a corrente de armadura entra pela extremidade com ponto da bobina de campo em série e que a corrente I_F de derivação entra pela extremidade com ponto da bobina de campo em derivação. Portanto, a força magnetomotriz total nessa máquina é dada por

Observe que as forças magnetomotrizes do campo série e do campo shunt são somados, enquanto a reação de armadura é subtraída, concordando com a afirmação de que esta reação é desmagnetizante.

A partir da eq. 104-13 podemos encontrar a corrente equivalente efetiva do campo shunt (ou derivação), ou I_{F eq}, sabendo que F= N I. Desta forma, substituindo na eq. 104-13 e, após um trabalho algébrico, encontramos:

Olhando para o circuito equivalente mostrado na Figura 104-10, podemos inferir as seguintes equações para as correntes envolvidas no circuito.

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    3.5   Gerador Composto Cumulativo Shunt Curto

A Figura 104-11 mostra o circuito de um gerador composto shunt curto. Observe que, diferentemente do shunt longo, o shunt curto possui o enrolamento de campo situado entre o enrolamento de armadura e o enrolamento de campo série.

Isso faz com que o enrolamento de campo-shunt fique em paralelo com o circuito de armadura e o circuito de camppo série está conectado em série com a carga. A equação eq. 104-15 também é válida para esta configuração.

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    3.6   Característica da Tensão de Saída

      Gerador Composto Cumulativo

Para compreender a característica de terminal de um gerador CC composto cumulativo, é necessário compreender os efeitos simultâneos que ocorrem dentro da máquina.

Suponha que a carga do gerador seja aumentada. Então, à medida que a carga sobe, a corrente de carga I_L sobe. Nesse caso, a corrente de armadura também aumenta. Logo, nesse ponto, ocorrem dois efeitos no gerador:

Esses dois efeitos são opostos entre si, com um tendendo a elevar V_g e o outro tendendo a baixar V_g. Qual efeito será predominante em uma dada máquina? Tudo dependerá de quantas espiras em série forem colocadas nos polos da máquina. Esta situação dá origem a três possíveis alternativas que ganham nome próprio. Vamos estudar separadamente cada situação.

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    3.6.1   Gerador Cumulativo Hipocomposto

Poucas espiras em série (N_se pequeno). Se houver apenas poucas espiras, o efeito da queda de tensão resistiva facilmente prevalece. A tensão cai exatamente como em um gerador shunt (ou derivação), mas não tão acentuadamente. Veja a Figura 104-12, onde mostramos esse efeito. Esse tipo de configuração, em que a tensão de saída a plena carga é menor do que a tensão de saída a vazio, é denominado hipocomposto. Esse gerador possui uma característica de melhor regulação de tensão que o gerador composto equivalente.

O gerador hipocomposto possui uma característica um pouco "mergulhante", semelhante à de um gerador shunt, mas com uma regulação melhorada. Se efetuarmos um curto-circuito nos terminais do campo série (R_d = 0, ver Figura 104-14) de um gerador cumulativo hipercomposto, ele atuará como um gerador shunt. Se a resistência do resistor de drenagem é aumentada um pouco, de modo a fluir uma pequena corrente através do campo série, qualquer gerador composto cumulativo atuará como hipocomposto. É por esta razão que os fabricantes fornecem apenas geradores hipercompostos e esperam que os consumidores ajustem o grau de compensação, usando um resistor de drenagem. Entenda-se por resistor de drenagem (Ver aqui!), um resistor ajustável adicionado em paralelo com o enrolamento de campo com o qual se quer alterar as características do gerador.

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    3.6.2   Gerador Cumulativo Normal

Mais espiras em série (N_se maior). Quando há algumas espiras a mais nos polos, inicialmente, o efeito do reforço de fluxo prevalece e a tensão de terminal aumenta com a carga. Entretanto, à medida que a carga continua aumentando, tem início a saturação magnética e a queda de tensão resistiva supera o efeito do aumento de fluxo. Nessa máquina, inicialmente a tensão de terminal sobe e em seguida cai à medida que a carga aumenta. Se V_g a vazio for igual a V_g a plena carga, então o gerador será denominado normal. Esse gerador tem uma característica de regulação percentual zero.

Um gerador composto normal encontra uma aplicação similar ao hipercomposto, quando a queda de tensão na linha de transmissão é desprezível e a carga está localizada na vizinhança imediata do gerador. Assim, obtemos uma tensão constante sobre a carga, embora essa tensão não seja necessariamente constante, mas tem uma regulação negativa no ponto de meia carga e regulação zero a plena carga.

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    3.6.3   Gerador Cumulativo Hipercomposto

Ainda mais espiras em série são acrescentadas (N_se grande). Se ainda mais espiras forem acrescentadas ao enrolamento de campo série do gerador, então o efeito do reforço de fluxo estará prevalecendo em uma faixa maior ainda, antes que a queda de tensão resistiva passe a predominar. O resultado é uma característica na qual a tensão de saída de plena carga é mais elevada na realidade do que a tensão de saída a vazio. Se a tensão V_g de plena carga exceder V_g a vazio, então o gerador será denominado hipercomposto. Ou seja, a característica de regulação desse gerador é sempre negativa.

O gerador hipercomposto é o mais apropriado para a transmissão de energia elétrica CC quando a carga está remotamente localizada com relação ao gerador. A característica de elevação de tensão deste gerador é mais do que suficiente para compensar a queda de tensão na linha de transmissão. Um resistor de drenagem é usado para controlar e produzir uma elevação de tensão suficiente no gerador, para compensar as quedas de tensão nas linhas a plena carga. Como a queda de tensão na linha e a elevação de tensão ajustada, produzidas pelo campo série, são ambas proporcionais à corrente de carga, a tensão numa carga remota será substancialmente constante desde a vazio até a plena carga, tornando-se desnecessário o uso de reguladores de tensão.

Veja nos gráficos da Figura 104-13 todas as possibilidades estudadas.

Também é possível dispor de todas essas características de tensão em um único gerador se um resistor desviador for usado. A Figura 104-13 mostra um gerador CC composto cumulativo com um número relativamente grande de espiras em série N_se. Um resistor desviador de corrente, denominado resistor de drenagem, é ligado em paralelo com o campo em série. Se o resistor de drenagem R_d for ajustado para um valor elevado, a maior parte da corrente de armadura circulará através da bobina do campo em série e o gerador será hipercomposto. Por outro lado, se o resistor R_d for ajustado para um valor pequeno, então a maior parte da corrente circulará através de R_d, paralelamente ao campo em série, e o gerador será hipocomposto. O resistor pode ser ajustado de forma contínua, permitindo obter qualquer combinação desejada.

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    3.7  Controle da Tensão de Saída

   Gerador Composto Cumulativo

As técnicas disponíveis para o controle da tensão de terminal de um gerador CC composto cumulativo são exatamente as mesmas técnicas usadas para o controle da tensão de um gerador CC em derivação, ou seja:

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    3.8  Análise de um Gerador CC

   Composto Cumulativo

As equações eq. 104-16 e eq. 104-17 são a chave da descrição da característica de saída de um gerador CC composto cumulativo. A corrente equivalente de campo em derivação I_eq, devido aos efeitos do campo em série e da reação de armadura, é dada por

Portanto, a corrente efetiva total de campo em derivação da máquina é

Essa corrente equivalente I_eq corresponde a uma distância horizontal à esquerda ou à direita da reta da resistência de campo (R_F) ao longo dos eixos da curva de magnetização, conforme pode ser visto na Figura 104-14.

A queda resistiva do gerador é dada por I_A (R_A + R_S), o que é um comprimento sobre o eixo vertical da curva de magnetização. Tanto a corrente equivalente I_eq quanto a queda de tensão resistiva I_A (R_A + R_S) dependem do valor da corrente de armadura I_A. Portanto, elas formam os dois lados de um triângulo cujos valores são uma função de I_A. Para obter a tensão de saída, para uma dada carga, determine o tamanho do triângulo e encontre o local onde ele se encaixa exatamente entre a reta da corrente de campo e a curva de magnetização.

A tensão de terminal a vazio será o ponto no qual a reta da resistência e a curva de magnetização intersectam-se, como antes. Quando uma carga é acrescentada ao gerador, a força magnetomotriz do campo em série aumenta, elevando a corrente equivalente do campo em derivação I_eq e a queda de tensão resistiva I_A (R_A + R_S) da máquina. Para encontrar a nova tensão de saída desse gerador, desloque o vértice, que está mais à esquerda do triângulo, ao longo da reta da corrente do campo em derivação até que o vértice superior do triângulo toque a curva de magnetização. Esse vértice superior representará a tensão interna gerada da máquina, ao passo que a linha inferior representa a tensão de saída da máquina.

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    3.9   Gerador CC Composto Diferencial

Um gerador CC composto diferencial é um gerador que contém os campos em derivação e em série, mas, dessa vez, as suas forças magnetomotrizes subtraem-se entre si. O circuito equivalente de um gerador CC composto diferencial está mostrado na Figura 104-15. Observe que agora a corrente de armadura está circulando para fora de uma terminação de bobina com ponto, ao passo que a corrente do campo em derivação está circulando para dentro de uma terminação de bobina com ponto.

Nessa máquina, a força magnetomotriz líquida é

A corrente efetiva total do campo em derivação dessa máquina é dada pela equação já estudada, a eq. 104-17, repetida abaixo para maior clareza.

Da mesma forma que o gerador CC composto cumulativo, o gerador composto diferencial pode ser ligado em derivação longa ou em derivação curta.

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    3.9.1   Característica de Saída de um Gerador

       Cumulativo Diferencial

No gerador CC composto diferencial, ocorrem os mesmos dois efeitos que estavam presentes no gerador CC composto cumulativo. Dessa vez, no entanto, ambos os efeitos atuam no mesmo sentido. Eles são:

Como ambos os efeitos tendem a reduzir V_g, a tensão diminui drasticamente quando a carga é aumentada no gerador.

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    3.9.2   Controle de Saída de um Gerador

       Cumulativo Diferencial

Mesmo quando as características de queda de tensão de um gerador CC composto diferencial são muito ruins, ainda é possível ajustar a tensão de terminal para qualquer valor dado de carga. As técnicas disponíveis para ajustar a tensão de terminal são exatamente as mesmas que as usadas para os geradores CC compostos em derivação e cumulativo:

Os geradores CC em derivação e compostos dependem da não linearidade de suas curvas de magnetização para produzir uma tensão de saída estável. Se a curva de magnetização de uma máquina CC fosse uma linha reta, então a curva de magnetização e a reta da tensão de linha do gerador nunca iriam se cortar. Consequentemente, a vazio, não haveria tensão estável na saída do gerador. Como os efeitos não lineares estão no centro do funcionamento do gerador, as tensões de saída dos geradores CC podem ser determinadas somente por meios gráficos ou numericamente, usando um computador.