Aula 2 * Máquinas-ferramenta: características construtivas ...
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ENSINO PRESENCIAL COM SUPORTE EAD
ENGENHARIA MECATRÔNICA
INSTALAÇÃO
INSTAA
NOITE2
LEONARDO DA COSTA SIMÃO – 290742011
MÁQUINAS ELÉTRICAS
PORTFÓLIO 2
GUARULHOS – SP
2013
GUARULHOS – SP
2013
Trabalho apresentado ao curso Engenharia Mecatrônica da Faculdade ENIAC para a disciplina MÁQUINAS ELÉTRICAS e ao prof. MARCOS JOSE PINSON.
LEONARDO DA COSTA SIMÃO – 290742011PORTIFÓLIO 2
Lista de Figuras
Figura 1 - Campo Girante por Rotação Mecânica das Estruturas.......................5
Figura 2 - Orientação das Bobinas Segundo o Mesmo Eixo...............................6
Figura 3 - Representação do Campo Girante.....................................................6
Figura 4 - Representação Fasorial do Campo Girante........................................7
Figura 5 - Rotor em Gaiola..................................................................................8
Figura 6 - Rotor Bobinado...................................................................................8
Figura 7 - Equação do Escoamento....................................................................9
Figura 8 - Equação do Escoamento....................................................................9
Figura 9 - Escorregamento S - Negativo...........................................................12
Figura 10 - Geradores síncronos elementares: (a); 2 polos; (b): 4 polos; (c)
conexão das bobinas em estrela ou Y para o gerador de 4 polos....................14
Figura 11 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico..........................................15
Figura 12 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico 2.......................................15
Figura 13 - Curvas características binário - velocidade para diferentes valores
de resistência do motor Rr4>Rr3>Rr2>Rr1.......................................................17
SumárioQuestões:............................................................................................................6
1. Explique graficamente a formação do campo girante trifásico, mostrando ao menos três instantes da corrente alternada trifásica..................................6
2. Descreva o funcionamento do motor de indução trifásico;..........................8
3. Por que a velocidade do rotor do motor de indução não pode ser igual à velocidade síncrona?.....................................................................................10
4. O que é escorregamento de uma máquina de indução?...........................10
5. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como motor?............................................................................................................11
6. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como gerador?.........................................................................................................12
7. Descreva as vantagens e desvantagens do motor de indução trifásico frente aos demais motores elétricos (motor de corrente contínua e motor síncrono)........................................................................................................14
8. O que são ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada?. 14
9. O que são ângulos elétricos?.....................................................................14
10. Explique, com auxílio de gráficos e diagramas, qual a relação existente entre ângulos elétricos e ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada de pólos..........................................................................................14
11. Qual a diferença entre enrolamentos de passo pleno e de passo fracionário?....................................................................................................16
12. Quais as principais vantagens do passo fracionário?..............................17
13. Desenhe uma curva típica de torque de uma máquina de indução trifásica e ilustre as três regiões operativas (motor, gerador e frenagem), descrevendo rapidamente o funcionamento da máquina em cada uma delas........................................................................................................................17
14. O que é uma bobina de passo encurtado ou fracionário?.......................19
Conclusão.........................................................................................................19
Bibliografia.........................................................................................................19
Questões:
Na falta de informações, todas as máquinas dos exercícios são trifásicas, de
60 Hz e têm os enrolamentos de armadura montados em camada dupla.
1. Explique graficamente a formação do campo girante trifásico, mostrando ao menos três instantes da corrente alternada trifásica. A Figura 1 apresenta o campo girante produzido por uma estrutura de dois e
quatro pólos magnéticos. A Figura também destaca um núcleo magnético
cilíndrico representativo do rotor.
Figura 1 - Campo Girante por Rotação Mecânica das Estruturas
Para obter-se o campo girante representado na Figura 1 é preciso arranjar
conjuntos de bobinas que sejam convenientemente alojadas no estator.
Quando essas bobinas forem percorridas por correntes trifásicas, irão produzir
campos magnéticos, cuja resultante será um campo com intensidade
constante, que gira exatamente como está representado na Figura 1.
As correntes trifásicas em circuitos equilibrados são defasadas de 120° no
tempo. Se estas três bobinas forem dispostas em um mesmo eixo, como
mostrada na Figura 2, o campo resultante seria nulo.
Figura 2 - Orientação das Bobinas Segundo o Mesmo Eixo
A força magnetomotriz irá produzir um campo magnético girante com
velocidade e intensidade constantes. A velocidade depende da frequência das
correntes aplicadas ao conjunto de bobinas trifásicas. A Figura 3 mostra
graficamente o campo girante em quatro instantes distintos.
Figura 3 - Representação do Campo Girante
Figura 4 - Representação Fasorial do Campo Girante
Na figura 4, caso se troque a alimentação de duas bobinas, isto é, injetar a
corrente da bobina b na bobina c e, ao mesmo tempo, injetar a corrente da
bobina c na bobina b, tem-se como resultado a mudança no sentido de rotação
do campo girante.
2. Descreva o funcionamento do motor de indução trifásico;
O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico (MIT) é o mesmo
de todos os motores elétricos, ou seja, baseia-se na interação do fluxo
magnético com uma corrente em um condutor, resultando numa força no
condutor. Esta força é proporcional às intensidades de fluxo e de corrente (F =
il xB). Existem dois tipos de MIT: Rotor em gaiola; Rotor bobinado (em anéis).
O motor compõe-se de duas partes: Estator, onde é produzido o fluxo
magnético; Rotor, onde é produzida a corrente que interage com o fluxo,
conforme a figura 5.
Figura 5 - Rotor em Gaiola
No estator (parte fixa) estão montados três enrolamentos. Estes enrolamentos
estão ligados à rede de alimentação, podendo estar conectados em estrela ou
triângulo. A alimentação do MIT é realizada por uma fonte de tensão trifásica e
equilibrada, logo as correntes do estator (armadura) estarão defasadas de
120°. Estas correntes irão produzir um fluxo resultante girante em relação à
armadura, que irá induzir no rotor (v xB.dl ) tensões alternativas em seus
enrolamentos. Estando estes enrolamentos curto-circuitados irão aparecer
correntes no rotor (figura 6), sendo estas correntes e o fluxo girante,
responsáveis pelo aparecimento do torque no MIT.
Figura 6 - Rotor Bobinado
3. Por que a velocidade do rotor do motor de indução não pode ser igual à velocidade síncrona?
Pela equação do escorregamento, figura 7, percebemos que a velocidade do
rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois assim, nenhuma corrente
seria induzida no enrolamento do rotor e consequentemente nenhum torque
seria produzido.
Figura 7 - Equação do Escoamento
4. O que é escorregamento de uma máquina de indução?
Define-se escorregamento de um motor de indução como sendo a diferença
entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor do motor, expressa em
porcentagem da velocidade síncrona, isto é:
Figura 8 - Equação do Escoamento
s(%) = escorregamento do motor expresso em porcentagem;
ωs = velocidade angular síncrona [rad/s];
ns = rotação (ou velocidade) do campo girante [rpm];
s=ns−nns
ω = velocidade angular do rotor [rad/s];
n = rotação (ou velocidade) do rotor [rpm].
5. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como motor? Pela definição do escorregamento, temos:
Frequência Velocidade de deslocamento
F1 N1 Estator
F2 N1 – N2 Rotor
Onde N2 é a velocidade mecânica do rotor e N1-N2 velocidade relativa com
que o campo girante irá reduzir as tensões de frequência F2 no rotor. Pode-se
fazer a seguinte equações:
f 2=n1−n2n1
. f 1
Definindo-se:
s=n1−n2n1
Seja n0 a velocidade do campo do rotor em relação ao terra (estator),
escrevendo-se:
n0 = n2 + n22
Onde n22 é a velocidade do campo do rotor em relação ao próprio rotor:
n22=120p. f 2
n0=n2+120p. f 2 , substituindo naequação s=
n1−n2n1
E reorganizando a equação, temos:
n2=n1 . (1−s )
n0=n1 (1−s)+ 120ps . f 1=n1−s . n1+s .n1
n0=n1
Donde conclui-se que as velocidades dos campos do estator e rotor em relação
ao estator são iguais, porém a velocidade mecânica do rotor é menor que a
velocidade síncrona dos campos, devido ao que definiu-se sobre o
escorregamento.
6. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como gerador? A máquina de indução com o rotor em gaiola (MIRG) funciona como gerador
nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade
angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos, s, negativos,
conforme ilustrado na Figura 9.
Figura 9 - Escorregamento S - Negativo
No modo de funcionamento como gerador a máquina funciona entre os pontos
correspondentes ao escorregamento (aproximadamente) nulo e o
correspondente ao valor máximo da intensidade de corrente admissível no
estator, o qual, para a máquina a que corresponde a característica
representada na Figura 9, se verifica para um valor de s igual a -0.8%. Este
valor é consideravelmente inferior àquele para o qual ocorre o binário máximo
(cerca de -8% para a característica representada na Figura 9). Em virtude da
variação da velocidade admissível da máquina em relação à velocidade de
sincronismo ser muito pequena, na prática, esta máquina comporta-se como
tendo velocidade constante.
Abaixo uma tabela ilustrando o motor e gerador:
Tabela 1 – Tabela Modos de Funcionamentos Motor/Gerador
7. Descreva as vantagens e desvantagens do motor de indução trifásico frente aos demais motores elétricos (motor de corrente contínua e motor síncrono). As vantagens são de baixo de aquisição, baixo custo de manutenção, torque
de partida não nulo, robustez, disponível em potências de 14
HP a mais de
30.000 HP e desvantagens como controle de velocidade difícil, corrente de
partida elevada e fator de potência baixo e sempre indutivo.
8. O que são ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada? É o ângulo de giro do rotor ao longo do seu eixo.
9. O que são ângulos elétricos? É o ângulo da corrente ou tensão elétrica; Ângulo mecânico (p/2), onde p é o
número de pólos da máquina.
10. Explique, com auxílio de gráficos e diagramas, qual a relação existente entre ângulos elétricos e ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada de pólos. O enrolamento da armadura deve ser montado de forma tal que possam ser
induzidas nele tensões trifásicas equilibradas defasadas 1/3 de período. Para
isto é necessário que o enrolamento seja formado de no mínimo 3 bobinas
deslocadas entre si 120º elétricos no espaço. A figura 10.a mostra de forma
simplificada um enrolamento trifásico de uma máquina de 2 polos. As bobinas
estão designadas por (a,-a), (b,-b) e (c,-c). Em cada uma delas o fluxo
magnético girante do rotor induzirá uma tensão. As tensões induzidas estão
defasadas entre si 1/3 de período. Sendo a máquina de 4 polos, serão
necessários 2 conjuntos de bobinas iguais para formar o enrolamento,
conforme mostra a figura 10.b. O ângulo geométrico entre cada uma das
bobinas é igual a 60º que correspondem a 120º elétricos. A figura 10.c mostra a
conexão entre as bobinas da máquina de 4 pólos para formar um enrolamento
ligado em estrela.
Figura 10 - Geradores síncronos elementares: (a); 2 polos; (b): 4 polos; (c) conexão das bobinas em estrela ou Y para o gerador de 4 polos
Como na figura 11 e 12, o passo1 da bobina, distância medida em graus entre
os dois lados da bobina, é igual à metade do comprimento da onda de indução
magnética. Quando um lado da bobina está sob um pólo N, o outro,
necessariamente, deve estar sob o pólo S e a conexão entre os lados deve ser
feita de forma a poder somar as tensões induzidas em cada lado. A tensão
induzida passa por dois ciclos completos para cada rotação do rotor. Logo, a
freqüência f é o dobro da freqüência da máquina de dois pólos girando à
mesma velocidade.
Figura 11 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico
Figura 12 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico 2
11. Qual a diferença entre enrolamentos de passo pleno e de passo fracionário? O enrolamento se encontra montado na parte fixa da máquina denominada
armadura ou estator e o fluxo magnético é criado na parte rotativa denominada
rotor. Os geradores síncronos são exemplos típicos desta montagem.
A figura 13 representa uma máquina rotativa monofásica elementar (tal como a
da figura 13, mas diferindo daquela no que se refere ao rotor, que é liso). O
enrolamento do rotor não está representado. O enrolamento da armadura
representado na figura 13 é chamado de enrolamento concentrado de passo
pleno. Concentrado porque as suas N espiras estão concentradas em um único
para de ranhuras e não distribuídas por várias ranhuras. Nas máquinas reais, o
enrolamento se encontra distribuído por várias ranhuras. De passo pleno
porque a distância entre os lados da bobina é igual a 180º graus elétricos ou
2π radianos elétricos ou um passo polar. O enrolamento das máquinas reais é
feito, em muitos casos, com um passo menor do que o passo pleno ou polar
para eliminar a presença de harmônicos. Neste caso o enrolamento é chamado
de enrolamento de passo encurtado ou passo fracionário.
12. Quais as principais vantagens do passo fracionário? As principais vantagens são as relacionadas com a grande gama de projetos
onde podem ser inseridos com menores custos, principalmente em trabalhos
digitais em cabeças de impressões, plotters, mesas de usinagem, onde o
principio fundamental é a precisão.
13. Desenhe uma curva típica de torque de uma máquina de indução trifásica e ilustre as três regiões operativas (motor, gerador e frenagem), descrevendo rapidamente o funcionamento da máquina em cada uma delas.
Figura 13 - Curvas características binário - velocidade para diferentes valores de resistência do motor Rr4>Rr3>Rr2>Rr1
O principio de funcionamento da máquina de indução baseia-se na
possibilidade de controlar a sua velocidade por variação da resistência do
rotor. A Figura 13 ilustra a alteração das curvas binário / escorregamento da
máquina de indução devido à variação de uma resistência ligada em série com
a do enrolamento do rotor. Na Figura 13 observa-se que, para um dado binário
mecânico, T, é possível variar a velocidade da máquina de indução variando a
resistência rotórica. Se em lugar de uma resistência variável, se instalar um
sistema de conversão ca/cc/ca ligado ao rotor, é possível extrair potência activa
pelo rotor da máquina e assim controlar a velocidade. É este o princípio do
aproveitamento da energia de escorregamento nos motores de indução de
rotor bobinado. O modo de funcionamento das MIDA baseia-se no princípio
acima descrito: para escorregamentos negativos, até se atingir a intensidade
de corrente nominal do estator da máquina, a potência extraída pelo rotor da
máquina é controlada por forma a otimizar a velocidade específica da ponta da
pá do rotor, λ, e assim maximizar o valor do coeficiente de potência, Cp, da
turbina. Para escorregamentos negativos, superiores (em módulo) àquele em
que a intensidade da corrente no estator atinge o valor nominal, a potência
ativa no estator e rotor permanecem constantes. Este princípio do controle da
velocidade por aproveitamento da energia de escorregamento, leva a que esta
máquina possa funcionar como gerador para escorregamentos positivos. Por
forma a garantir este modo de operação, torna-se necessário fornecer potência
ativa ao rotor.
14. O que é uma bobina de passo encurtado ou fracionário?O enrolamento das máquinas reais é feito, em muitos casos, com um passo
menor do que o passo pleno ou polar para eliminar a presença de harmônicos.
Neste caso o enrolamento é chamado de enrolamento de passo encurtado ou
passo fracionário.
Conclusão
Ao terminar o trabalho sobre motores elétricos, começando pela criação do
campo elétrico através de suas bobinas que com defasagem conseguimos
montar circuitos trifásicos. Estas combinações formam a força magnetomotriz.
Podemos verificar a formação dos motores como também entender porque a
velocidade síncrona não pode ser igual a da indução, senão não teríamos
movimento no mesmo, mostrado isto através da equação de escorregamento,
sendo os de menor custo e maior utilização na indústria, tendo também suas
desvantagens. Os ângulos mostrados nos gráficos e diagramas puderam
mostrar o desempenho dos motores de forma que o entendimento se tornasse
mais amplo. Fazendo parte deste material também uma pequena comparação
com os motores fracionários que possuem precisão para trabalhos digitais.
Bibliografia
http://www.engonline.fisp.br/3ano/acionamentos_eletricos/Acionamentos_2002_4.pdf
http://www.ifba.edu.br/professores/castro/MIT.pdf
https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/110446/1/MIDA_Ed0.pdf%3F_request_checksum_
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http://esa.ipb.pt/~jpmc/ArquivoEA/Equipamento_ed0.pdf
http://maquinas-utfpr.blogspot.com.br/2007_08_01_archive.html