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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.


Revisão• Tensão induzida em um condutor que se move

em um campo magnético

eind = . l = (v B) .l


Situando o problema

Conversores de energia

Conversores eletromecânicos de energia

Máquinas girantes


A máquina girante e o seu uso

EE

EM

EE EM

EE: energia elétricaEM: energia mecânica

w

Pe = v.i

Tem Pm = Tem.w



EE EM

Carga

wvi

Motor

wvi

Gerador

MáquinaPrimáriaEE EM


• 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.




• 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,...).


As Perdas

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

Origem: {mecânica:

elétrica:

{ atrito

ventilação

{cobre: I2R

ferro { eddy

histerese


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


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


Máquina Girante Elementar


Máquina Girante Elementar

Produção de conjugado

unidirecional


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


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



Operação motora:

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

Tem = Tr


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


w

vi

Gerador

MáquinaPrimária

Tr Tem


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


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.


T

w

P: ponto de equilíbrio



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 <


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


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


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.


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


• 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

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