03_MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTOS - Parte 1 - Fundamentos de Eletromecânica

Máquinas Elétricas e AcionamentosFundamentos de Eletromecânica

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Fundamentos de EletromecânicaPEA

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Fundamentos de Eletromecânica

Conversão Eletromagnética de Energia

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Fundamentos de EletromecânicaHistórico

Dá-se o nome de magnetismo à propriedade que certos corpos possuem de atrair materiais ferrosos.

A muito tempo atrás os gregos descobriram que certo tipo de rocha, encontrada na cidade de Magnésia, Ásia Menor, tinha o poder de atrair pequenos pedaços de ferro.

A rocha era constituída por um tipo de minério de ferro chamada magnetita (Óxido magnético de ferro) e por isso o seu poder de atração foi chamado de magnetismo.

Mais tarde descobriu-se que se prendendo um pedaço dessa rocha (óxido magnético de ferro) - ímã natural - na extremidade de um barbante ela se posicionava de tal maneira que uma das suas extremidades apontavam sempre para uma mesma direção.

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Esses pedaços de rocha, suspensos por um fio, receberam o nome de “pedra-guia” e foram usadas pelos chineses há 2 mil anos, para viagens no deserto, e também pelos marinheiros, quando das primeiras descobertas marítimas.

Assim sendo, descobriu-se que a terra é um grande ímã natural e o giro dos ímãs em direção ao norte é causado pelo seu magnetismo.

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O magnetismo, como qualquer forma de energia, é originado na estrutura física da matéria, ou seja, no átomo. O elétron gira sobre seu eixo e ao redor do núcleo de um átomo (rotação orbital).

Magnetismo

Na maioria dos materiais, a combinação entre direção e sentido dos efeitos magnéticos gerados pelos seus elétrons é nula, originando uma compensação e produzindo um átomo magneticamente neutro. Porém, pode acontecer uma resultante magnética quando um número de elétrons gira em um sentido e um número menor de elétrons gira em outro sentido. Assim, muitos dos elétrons dos átomos dos ímãs girando ao redor de seus núcleos em direções determinadas e em torno de seus próprios eixos, produzem um efeito magnético em uma mesma direção que resulta na expressão magnética externa. Esta expressão éconhecida como campo magnético permanente e é representado pelas linhas de campo.

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Campo magnético é a região ao redor de um imã, na qual ocorre uma força magnética de atração ou de repulsão. O campo magnético pode ser definido pela medida da força que o campo exerce sobre o movimento das partículas de carga, tal como um elétron.

A representação visual do campo é feita através de linhas de campo magnético, também conhecidas por linhas de indução magnética ou linhas de fluxo magnético, que são linhas envoltórias imaginárias fechadas, que saem do pólo norte e entram no pólo sul.

Campo Magnético

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O sentido das linhas de campo magnético, por convenção, é sempre, externamente, do pólo norte para o pólo sul e internamente do pólo sul para o pólo norte.

Linhas de Campo

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Fundamentos de EletromecânicaAtração e Repulsão

Ao manusear dois imãs percebemos claramente que existem duas formas de colocá-los para que estes sejam repelidos e duas formas para que sejam atraídos. Isto se deve ao fato de que pólos iguais se repelem, mas pólos diferentes se atraem.

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Fundamentos de EletromecânicaMagnetismo Terrestre

O planeta terra também age como um grande imã, pois possui o que chamamos de magnetismo terrestre. O magnetismo terrestre é a causa pela qual conseguimos nos orientar por meio de uma bússola. Os pólos geográficos e magnéticos da terra não se coincidem de modo que o pólo norte geográfico é o pólo sul magnético e vice-versa.

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Fundamentos de EletromecânicaCuriosidade

Bússola

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Em 1820, um professor e físico dinamarquês chamado Hans Christian Oersted observou que uma corrente elétrica era capaz de alterar a direção de uma agulha magnética de uma bússola. Quando havia corrente elétrica no fio, Oersted verificou que a agulha magnética se movia, orientando-se numa direção perpendicular ao fio, evidenciando a presença de um campo magnético produzido pela corrente. Este campo originava uma força magnética capaz de mudar a orientação da bússola. Este campo magnético de origem elétrica é chamado de campo eletromagnético.

Interrompendo-se a corrente, a agulha retornava a sua posição inicial, ao longo da direção norte-sul.

Histórico

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Da Lei da Ação e Reação de Newton, pode-se concluir que se um condutor percorrido por corrente provoca uma força de origem magnética capaz de mover a agulha da bússola, que é um ímã, então um imã deve provocar uma força num condutor percorrido por corrente.

Além disso, os cientistas concluíram que, se uma corrente elétrica é capaz de gerar um campo magnético, então o contrário é verdadeiro, ou seja, um campo magnético é capaz de gerar corrente elétrica. São três os principais fenômenos eletromagnéticos e que regem todas as aplicações tecnológicas do eletromagnetismo:

I. condutor percorrido por corrente elétrica produz campo magnético;

II. campo magnético provoca ação de uma força magnética sobre um condutor percorrido por corrente elétrica.

III. fluxo Magnético variante sobre um condutor gera (induz) corrente elétrica.

Lei da Atração e Reação de Newton

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No mesmo ano que Oersted comprovou a existência de um campo magnético produzido pela corrente elétrica, o cientista francês André Marie Ampère, preocupou-se em descobrir as características desse campo. Nos anos seguintes, outros pesquisadores como Michael Faraday, Karl Friedrich Gauss e James ClerkMaxwell continuaram investigando e desenvolveram muitos dos conceitos básicos do eletromagnetismo.

As linhas de campo magnético são linhas envoltórias concêntricas e orientadas.

Campo Magnético criado por Corrente Elétrica

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Além dos ímãs naturais (magnetita) e os ímãs permanentes feitos de materiais magnetizados, É possível gerar campos magnéticos através da corrente elétrica em condutores. Se estes condutores tiverem a forma de espiras ou bobinas, pode-se gerar campos magnéticos muito intensos.

Fontes de Campo Magnético

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A intensidade do campo magnético gerado em torno de um condutor retilíneo percorrido por corrente elétrica depende da intensidade dessa corrente. Uma corrente intensa produzirá um campo intenso, com inúmeras linhas de campo que se distribuem até regiões bem distantes do condutor. Uma corrente menos intensa produzirá poucas linhas numa região próxima ao condutor.

Campo Magnético Gerado em Torno de um Condutor Retilíneo

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- Em 1831 Michel Faraday fez a primeira indicação da possibilidade de intercâmbio entre energia elétrica e mecânica a chamada Conversão Eletromagnética de Energia.

- Em 1820 quando Oersted descobriu que uma corrente elétrica produz campo magnético, percebeu-se que os fenômenos eletricidade e magnetismo, que atéentão não tinham nenhuma relação, estavam interligados, formando o fenômenoeletromagnético.

- A partir dessa descoberta, o inglês Michael Faraday e o americano Joseph Henry se dedicaram a obter o efeito inverso, ou seja, obter corrente elétrica a partir do campo magnético.

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Fundamentos de EletromecânicaConversão Eletromagnética de Energia

A conversão eletromagnética de energia, como a entendemos hoje, relaciona as forças elétricas e magnéticas com força mecânica aplicada a material e ao movimento. Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas. Embora estaconversão possa também produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos práticos avançou-se até o estágio onde as perdas de energia reduziram-se a um mínimo e uma conversão relativamente direta é conseguida em qualquer das direções.

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Energia mecânica em energia elétrica

Energia elétrica em energia:- Mecânica: Motores- Luminosa: Lâmpadas- Térmica: Aquecedores- Etc... Energia elétrica em

energia:- Térmica: Chuveiro- Luminosa: Lâmpada- Etc...

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Relações existentes entre indução eletromagnética e força eletromagnética

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Foram descobertos certos fenômenos eletromagnéticos naturais que relacionam as energias elétricas e mecânicas. A relativa facilidade com que se processa tal conversão de energia é devida, de fato, ao conhecimento dessas relações. Para a maioria das aplicações usuais, a conversão de energia elétrica em mecânica, e vice-versa, pode ser considerada como uma reação reversível. À medida que o processo deixa de ser completamente reversível e outras formas indesejáveis de energia são nele produzidas (tais como energia térmica, luminosa e química), resultam perda de energia do sistema eletromecânico.

Os fenômenos eletromagnéticos pressupões completa conversão eletromecânica de energia cujos efeitos mais importantes são o da indução eletromagnética e da força eletromagnética.

Principais Relações

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Lei de Faraday da Indução Magnética

Michael Faraday (1791-1867) foi um físico e químico inglês, sendo considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. Suas contribuições mais importantes e seus trabalhos mais conhecidos foram nos campo dos fenômenos da eletricidade, eletroquímica e do magnetismo, e diversas outras contribuições em física e química.

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Anteriormente à descoberta de Faraday, uma tensão era gerada num circuito através de uma ação química, como a que ocorre numa pilha ou numa bateria de acumuladores.

A incomparável contribuição da descoberta de Faraday, em 1831, foi a geração de uma tensão através do movimento relativo entre um campo magnéticoe um condutor de eletricidade.

Faraday chamou esta tensão de “induzida”, porque ocorria apenas quando haviamovimento relativo entre o condutor e um campo magnético, sem contato físico”efetivo entre eles.

Lei de Faraday da Indução Magnética

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O dispositivo usado por Faraday consistia de 2 enrolamentos unidos por um material ferromagnético de alta permeabilidade, onde o enrolamento 1, chamado de primário, é uma bobina com N1 espiras de condutor isolado e está conectado, através de uma chave interruptora, à bateria (fonte de tensão contínua) que faz circular uma corrente contínua e esta gera um campo magnético. Este campo magnético é intensificado pois as linhas de campo são concentradas pelo efeito caminho magnético do núcleo de material ferromagnético de alta permeabilidade.

As linhas de campo geradas pelo enrolamento 1 passam por dentro do enrolamento 2, chamado de secundário, que é uma bobina com N2 espiras de condutor isolado. O secundário está monitorado por um galvanômetro que detecta qualquer corrente que circular no enrolamento.

Dispositivo de Faraday

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Ao acionar sucessivas vezes a chave interruptora no circuito do enrolamentoprimário, Faraday fez as seguintes observações:

• no momento em que a chave é fechada, o galvanômetro acusa uma pequena corrente de curta duração;

• após a corrente cessar e durante o tempo em que a chave permanecer fechada, o galvanômetro não mais acusa corrente;

• ao abrir a chave, o galvanômetro volta a indicar uma corrente de curta duração, em sentido oposto.

Observações de Faraday

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Esses três momentos podem ser explicados da seguinte maneira:

• enquanto o campo magnético criado pela corrente no enrolamento primário cresce é gerada uma corrente no enrolamento secundário, que ocorre logo após a chave ser fechada pois a corrente é crescente, sendo que quando o campo no enrolamento primário se estabiliza (se torna constante) a corrente cessa no enrolamento secundário;

• enquanto o campo magnético permanece constante no enrolamento primário, não há corrente no enrolamento secundário;

• enquanto o campo magnético diminui no enrolamento primário, é gerada uma corrente no enrolamento secundário, com sentido oposto à anterior, pois logo após a chave ser aberta o campo magnético se anula no enrolamento primário.

Explicações de Faraday

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A SIMPLES PRESENÇA DO CAMPO MAGNÉTICO NÃO GERA CORRENTE ELÉTRICA. PARA GERAR CORRENTE É NECESSÁRIO VARIAR FLUXO

MAGNÉTICO.

Conclusões de Faraday

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Fundamentos de EletromecânicaLei de Faraday – Regra Geral

O VALOR DA TENSÃO INDUZIDA EM UMA SIMPLES ESPIRA DE FIO ÉPROPORCIONAL À RAZÃO DA VARIAÇÃO DAS LINHAS DE FORÇA QUE PASSAM ATRAVÉS DAQUELA ESPIRA.

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Fundamentos de EletromecânicaQuantificação da Lei de Faraday

Emed = Ø x 10-8

t

Onde:

Emed é a tensão média gerada em uma única espira (volt/espira), Ø é o número de Maxwells ou linhas de força magnética concatenadas (atravessadas) pela espira durante T o tempo em segundos no qual linhas são “concatenadas”, 108

é o número de linhas que uma espira deve concatenar por segundo para que seja induzida uma tensão de 1 volt.

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Fatores que afetam o valor da FEM induzida

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A quantificação da lei de Faraday, mantém-se verdadeira apenas quando o circuito magnético é fisicamente o mesmo do começo ao fim e durante o período em que ocorrem as variações do fluxo concatenado.

Em máquinas elétricas rotativas, entretanto, a variação do fluxo que concatena cada espira individual devido à rotação não é claramente definida ou facilmente mensurável.

É mais conveniente, portanto, expressar esta razão de variação em função de uma densidade média de fluxo (suposta constante) e da velocidade relativa entre este campo e um condutor singelo movendo-se através dele.

Densidade Média de Fluxo

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einst = Blv 10-8

Força Eletromotriz Instantânea

Onde:

B é a densidade de fluxo em Gauss em linhas/cm2

l é o comprimento da porção ativa do condutor que concatena o fluxo em cm

v é a velocidade relativa entre o condutor e o campo em cm/s

10-8 é o número de linhas que um condutor simples deve concatenar por segundo, a fim de induzir uma tensão de 1V.

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einst = 1 Blv 10-8

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Força Eletromotriz Instantânea (em unidades inglesas)

Onde:

B é a densidade de fluxo em Gauss em linhas/pol2

l é o comprimento da porção ativa do condutor que concatena o fluxo em polegadas

v é a velocidade relativa entre o condutor e o campo em pol/s

10-8 é o número de linhas que um condutor simples deve concatenar por segundo, a fim de induzir uma tensão de 1V.

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Fundamentos de EletromecânicaExercício

Um condutor singelo de 18 polegadas de comprimento é movido por uma força mecânica perpendicularmente a um campo magnético uniforme de 50.000 linhas/pol2, cobrindo uma distância de 720 polegadas em 1 segundo. Calcule:a - A fem induzidas instantânea;b - A fem induzida média;

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Fundamentos de Eletromecânica1ª Consideração

A equação abaixo reflete a condição de um condutor movendo-se em ângulo reto ao campo magnético e deve ser tratado como CASO IDEAL de FEM induzida pois não retrata o que realmente ocorre em máquinas comerciais.

einst = BBlvv 10-8

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O condutor se move à mesma velocidade do campo de igual valor, mas numa direção paralela ao campo magnético. A FEM induzida neste condutor é zero, uma vez que a razão da variação de fluxo concatenado é zero, isto é, o condutor não concatena novas linhas de força ao mover-se paralelamente ao campo magnético.

einst = BBlvv 10-8 = 0

IMPORTANTE: A fim de induzir uma FEM em um condutor dado, é necessário que haja uma variação contínua das ligações e fluxo, isto é, requer-se algum movimento de modo que “novas” linhas de força concatenem o condutor, ou que o condutor concatenem novas linhas de força.

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Para uma FEM induzida em qualquer condutor em movimento em qualquer sentido com respeito ao campo magnético como ilustra a figura utiliza-se a equação abaixo:

einst = (BBlvv sen θθ) 10-8

Onde é θθ o ângulo formado por BB e vv, tomando-se BB como referência.

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Sentido da FEM Induzida – Regra de Fleming

John Ambrose Fleming (1849-1945) foi um engenheiro eletrônico e físico inglês, desenvolveu técnicas de radiotelegrafia, osciladores de centelhamento, geradores de ruído e circuitos sintonizados.

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Fundamentos de EletromecânicaRegra de Fleming

A relação entre os sentidos da FEM induzida, do campo magnético e do movimento do condutor é representada pela regra de Fleming.

A regra de Fleming da mão direita pressupõe que o campo está estacionário e que o condutor se move em relação a este campo estacionário (de referência). Uma vez que a FEM induzida depende do movimento relativo entre o condutor e o campo.

Usando o polegar para representar o movimento do condutor, o indicador para representar o sentido do campo magnético, e o dedo médio para representar a FEM induzida.

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Lei de Lenz

Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) foi um físico alemão, desenvolveu a Lei de Lenz em 1833 e a Lei de Joule em 1842. Pesquisou condutividade de vários materiais sujeitos a corrente elétrica e o efeito da temperatura sobre a condutividade. Descobriu a reversibilidade das máquinas elétricas.

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Fundamentos de EletromecânicaLei de Lenz

Sabemos que a corrente induzida circula num determinado sentido devido àpolaridade da força eletromotriz induzida (tensão induzida).

Em um condutor imerso em um fluxo magnético variável, chamado de fluxo magnético indutor, é induzida uma força eletromotriz.

A polaridade dessa força eletromotriz induzida será tal que, se o circuito elétrico for fechado, circulará uma corrente que, ela própria criará um fluxo magnético, chamado de fluxo magnético induzido, que se oporá à variação do fluxo magnético indutor causador da tensão (FEM) induzida.

O sentido da corrente induzida é tal que origina um fluxo magnético induzido, que se opõe à variação do fluxo magnético indutor.

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Fundamentos de EletromecânicaLei de Lenz

A aproximação do imã provoca um aumento do fluxo magnético perto da bobina. Consequentemente começa a circular, na bobina, uma corrente que cria um campo magnético com polaridade inversa ao do imã.

O campo criado tenta impedir a aproximação do imã, tenta parar o imã para manter o fluxo magnético constante (variação de fluxo nula).

Quando o ímã se afasta, o efeito é contrário.

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Geradores Elementares

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Fundamentos de EletromecânicaGerador de Corrente Contínua Elementar

Gerador é uma máquina elétrica destinada a converter energia mecânica em energia elétrica.

Quando uma espira exerce um movimento de rotação dentro de um campo magnético, irá surgir nos terminais do condutor uma variação do fluxo.

Estator – este é responsável pelo fornecimento de campo magnético constante e uniforme.

Rotor – é a parte móvel do gerador a qual é fixa a um eixo.

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Fundamentos de EletromecânicaEsquema Geral

Aplicação da Regra de FlemingRegra de Fleming e da Lei de LenzLei de Lenz

Faculdade Anhanguera de Matão

Prof. Gustavo Henrique de Paula Santos

[email protected]

2013

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