Introdução as Máquinas Elétricas

Prof. Luiz A. de S. Ribeiro UFMA

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 2

Revisão

• Força em um condutor na presença de um campo magnético

F = i(l B)

Regra da mão direita: se o dedo indicador da mão direita apontar na direção do vetor l e o dedo médio na direção do vetor de densidade de fluxo B, então o dedo polegar apontará na direção da força resultante no fio.

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 3

Revisão• Tensão induzida em um condutor que se move

em um campo magnético

eind = . l = (v B) .l

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 4

Situando o problema

Conversores de energia

Conversores eletromecânicos de energia

Máquinas girantes

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 5

A máquina girante e o seu uso

EE

EM

EE EM

EE: energia elétricaEM: energia mecânica

w

Pe = v.i

Tem Pm = Tem.w

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 6

A máquina girante e o seu uso

EE EM

Carga

wvi

Motor

wvi

Gerador

MáquinaPrimáriaEE EM

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 7

• Conclusões:

– Qualquer máquina girante pode trabalhar como motor ou gerador;

– O fluxo de potência ativa é suficiente para indicar se a máquina opera como motor ou gerador;• No funcionamento motor, a máquina recebe

potência ativa da rede elétrica de alimentação;

• no caso gerador, a máquina entrega potência ativa a rede de alimentação.

A máquina girante e o seu uso

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 8

A máquina girante e o seu uso

• Conclusões:

– No funcionamento motor, a carga pode ser a mais variada possível, uma bomba d’água, um ventilador, ...

– No funcionamento gerador, a máquina primária é, em geral, de origem:• Hidro;

• Térmica (convencional, nuclear, ...)

• Eólica (eixo vertical, eixo horizontal, ...)

• Elétrica (motor cc, motor ca,...).

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 9

As Perdas

• Perdas = Pot. de entrada – Pot. de saída

Origem: {mecânica:

elétrica:

{ atrito

ventilação

{cobre: I2R

ferro { eddy

histerese

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 10

Conjugado Eletromagnético

S

N N S

FixoMóvel

q

N S

Fixo

Móvelq

Barra de ferro

O ímã gira no sentido anti-horário, na direção de obter o fluxo máximo

A barra de ferro gira no sentido horário, na direção de obter o fluxo máximo.

N S

Fluxo

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 11

Conclusões:

Um Tem é produzido pela interação dos campos magnéticos das peças fixa e móvel, mesmo que um deles exista por ação de indução do outro;

Não houve ação externa para criação do conjugado. Este Tem é do tipo eletromagnético;

O valor do Tem depende da posição relativa (q) entre as peças. Por exemplo, uma vez alinhadas, tem-se Tem = 0;

Por extensão, se as duas peças girarem simultaneamente com a mesma velocidade, garantindo entre si a mesma posição relativa (q), o Tem será o mesmo que aquele obtido com as peças estáticas.

Conjugado Eletromagnético

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 12

Máquina Girante Elementar

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 13

Máquina Girante Elementar

Produção de conjugado

unidirecional

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 14

Ponto de Funcionamento

Operação motora:

A máquina contém campos magnéticos no estator e rotor, o que lhe capacita a produzir Tem. Este conjugado tem o mesmo sentido da rotação.

Motor

w

Tem

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 15

Ponto de FuncionamentoOperação motora:A ação de uma carga também produz um conjugado. Um pedaço de madeira, por exemplo, apoiado sobre o eixo girante, cria um conjugado que tende a frenar a máquina (motor). Esse conjugado, denominado de conjugado resistente (Tr) ou de carga, tem sentido contrário ao movimento.

Carga

wvi

Tem

Tr

Motor

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 16

Ponto de Funcionamento

Operação motora:

O equilíbrio na operação motora é conseguido somente quando os conjugados eletromagnético e de carga forem iguais.

Tem = Tr

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 17

Operação geradora:

Neste caso, a máquina primária é responsável pelo acionamento do gerador. Daí se concluir que Tr atua no sentido da rotação do gerador. Para o estabelecimento do equilíbrio dinâmico o conjugado eletromagnético Tem atua no sentido contrário a rotação. Aqui também vale a relação: Tem = Tr

Ponto de Funcionamento

w

vi

Gerador

MáquinaPrimária

Tr Tem

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 18

Ponto de FuncionamentoO equilíbrio entre os conjugados eletromagnético e de carga ou da máquina primária não se da de maneira ocasional e imprevisível. Toda máquina elétrica, bem como toda carga ou máquina primária são independentes uma da outra e têm características bem definidas que relacionam o conjugado com a velocidade. Como exemplo, são mostradas a seguir as características de T w do motor de indução e de uma carga tipo ventilador:

Motor de indução Ventilador

TrTem

w w

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 19

Suponha que o motor e o gerador sejam acoplados. Qual seria o ponto de funcionamento do conjunto motor/ventilador? Sabe-se que será necessário fazer Tem = Tr e para tanto, basta sobrepor as duas curvas. O ponto P é o ponto de equilíbrio.

Ponto de Funcionamento

T

w

P: ponto de equilíbrio

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 20

Ponto de Funcionamento

Resta-nos a questão: será que P é um ponto de equilíbrio estável?

P é estável

T

w

T

w

TrTem >

P P

Ação de aceleração Ação de freio

TrTem <

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 21

Produção de Conjugado MédioJá foi afirmado que a iteração dos campos magnéticos do estator (CE) e do rotor (CR) provoca o aparecimento de um conjugado eletromagnético. Suponha que os dois campos tenham velocidades distintas:

O ponto A na figura vê o ponto B passar com a velocidade relativa wr - we. Isso faz com que CE assuma todas as posições em 360º em relação à CR, mesmo que a diferença de velocidade seja mínima. Logo, durante metade do percurso há uma ação de atração e na outra metade de repulsão.

we

CE CRwr

wr >we

wr - we = velocidade relativaq

AB

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 22

Produção de Conjugado Médio

Supondo uma distribuição senoidal, pode-se indicar esta seqüência de alternância da seguinte maneira:

wr - we = 0 Tmédio ≠ 0

wr - we ≠ 0 Tmédio = 0

Conclusão: a única possibilidade de produção de conjugado médio diferente de zero é ter a velocidade relativa entre os dois campos igual a zero. Cada máquina se arranja de forma peculiar para atingir esta exigência.

q

Atração

Repulsão

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 23

Número de PólosUm outro aspecto importante da interação entre os dois campos, tem uma importância fundamental: trata-se do número de pólos dos enrolamentos do estator e do rotor da máquina.

Dada a configuração abaixo, qual é o sentido de rotação?

S

S

N N

S

N

O pólo norte do rotor é atraído pelo pólo sul do estator e tentará girar no sentido anti-horário. O pólo sul do rotor será atraído pelo pólo norte do estator e tentará girar no sentido horário. Por razões de simetria, os conjugados serão iguais e de sentido contrário.

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 24

Considere outra configuração:

Número de Pólos

NS

NS

S

S

N N

É fácil observar que todos os pólos, norte e sul, serão atraídos pelos contrários do estator e procurarão girar no sentido horário.Conclusão: a única possibilidade de produção de conjugado é ter um número de pólos no rotor igual ao número de pólos do estator.

Classificação das Máquinas

L.A.S Ribeiro Máquinas Elétricas 25

• Universo das máquinas elétricas

MOTOR C.A.

MONOFÁSICO

UNIVERSAL

TRIFÁSICO

ASSÍNCRONO

SÍNCRONO

ASSÍNCRONO

GAIOLA DE ESQUILO

ROTOR BOBINADO

SPLIT - PHASE

CAP. PARTIDA

CAP. PERMANENTE

CAP. 2 VALORES

PÓLOS SOMBREADOS

REPULSÃO

RELUTÂNCIA

HISTERESE

DE GAIOLA

DE ANÉIS

IMÃ PERMANENTE

PÓLOS SALIENTES

PÓLOS LISOS

MOTOR CC

EXCITAÇÃO SÉRIE

EXCITAÇÃO INDEPENDENTE

EXCITAÇÃO COMPOUND

IMÃ PERMANENTE

SÍNCRONO