Apostila conversão eletromecânica de energia

CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL “JOSEPH TURTON JÚNIOR”

1

Conversão Eletromecânica de Energia.


2

Presidente da FIEPE Jorge Wicks Côrte Real Diretor do SENAI Areias – Recife-PE Josenildo Fernando da Silva Diretor Regional do SENAI Sérgio Gaudêncio Portela de Melo Elaboração Luciano Alves de Oliveira Júnior Docente SENAI Areias – Recife-PE

Unidade Operacional CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL “JOSEPH TURTON JUNIOR”


3

Sumário ....................................................................................................................................................... Página 1 – Conversão Eletromecânica de Energia ..................................................................................................... 4 1.1 – Conceitos Básicos................................................................................................................................. 5 1.1.1 – Magnetismo ....................................................................................................................................... 5 1.1.2 – Fluxo Magnético ................................................................................................................................. 5 1.1.3 – Densidade de Fluxo Magnético ........................................................................................................... 6 1.1.4 – Ampères-espiras ................................................................................................................................ 7 1.1.5 – Intensidade de Campo ....................................................................................................................... 8 1.1.6 – Permeabilidade Magnética ................................................................................................................. 10 1.1.7 – Relutância .......................................................................................................................................... 11 1.1.8 – Circuito Magnético ............................................................................................................................. 14 1.1.9 – O indutor, leis de Faraday e Lens ....................................................................................................... 20 1.1.10 – Conceito de CV, HP e Watt............................................................................................................... 23 1.1.11 – Torque ............................................................................................................................................. 27 1.1.12 – Rendimento ..................................................................................................................................... 28 2 – Motor Síncrono ........................................................................................................................................ 31 2.1 – Aspectos Funcionais ............................................................................................................................. 31 2.2 – Aspectos Construtivos ........................................................................................................................... 39 2.3 – Tipos de excitação da Máquina Síncrona ............................................................................................... 41 2.4 – Circuito Equivalente do Motor Síncrono (por fase) .................................................................................. 42 2.5 – Efeito da Carga Sobre Motores Síncronos ............................................................................................. 43 2.6 – Correção do fator de potência com o uso de motor síncrono .................................................................. 45 3 – Gerador Síncrono .................................................................................................................................... 48 3.1 – Aspectos Funcionais ............................................................................................................................. 48 3.1.1 – Gerador monofásico ........................................................................................................................... 49 3.1.2 – Gerador trifásico................................................................................................................................. 52 3.2 – Aspectos Construtivos ........................................................................................................................... 56 3.3 – Operação em Paralelo de Geradores Síncronos .................................................................................... 59 4 – Fontes alternativas de Energia ................................................................................................................. 62 4.1 – Energia Hídrica ..................................................................................................................................... 62 4.2 – Energia Térmica.................................................................................................................................... 63 4.3 – Energia Nuclear .................................................................................................................................... 64 4.3.1 – A física da fissão nuclear ................................................................................................................................... 64 4.3.2 – Criando material fissionável: Enriquecimento do urânio ..................................................................................... 64 4.3.3 – Produzindo energia elétrica na usina nuclear ..................................................................................................... 65 4.3.4 – As vantagens e desvantagens da usina nuclear ................................................................................................ 66 4.4 – Energia Geotérmica .............................................................................................................................. 68 4.5 – Energia Eólica....................................................................................................................................... 69 4.6 – Energia das Marés ................................................................................................................................ 70 4.7 – Energia Fotovoltaica ............................................................................................................................. 70 4.8 – Energia Química ................................................................................................................................... 71 5 – Máquinas de Corrente Contínua ............................................................................................................... 72 5.1 – Introdução ............................................................................................................................................ 72 5.2 – Componentes da Máquina de Corrente Contínua ................................................................................... 72 5.3 – Gerador de Corrente Contínua .............................................................................................................. 76 5.3.1 – Princípio de Funcionamento de um Gerador de Corrente Contínua ...................................................... 77 5.3.2 – Excitação do Campo Magnético .......................................................................................................... 80 5.3.3 – Tipos de Geradores de Corrente Contínua .......................................................................................... 82 5.3.4 – Circuito Equivalente do Gerador de Corrente Contínua ....................................................................... 87 5.3.5 – Equações da Tensão no Gerador e Regulação de Tensão .................................................................. 88 5.3.6 – Perdas e Eficiência de um Gerador de Corrente Contínua ................................................................... 89 5.4 – Motor de Corrente Contínua .................................................................................................................. 90 5.5 – Introdução ao Motor de Corrente Contínua ............................................................................................ 91 5.6 – Aspectos Construtivos do Motor de Corrente Contínua........................................................................... 92 5.7 – Princípios de Funcionamento ................................................................................................................ 93 5.8 – Controle de Velocidade e Conjugado nos Motores de Corrente Contínua ............................................... 95 5.9 – Tipos de Excitação ................................................................................................................................ 99 5.10 – Vantagens e Desvantagens dos acionamentos em Corrente Contínua.................................................. 100


4

1 – Conversão Eletromecânica de Energia.

São estudados os processos de conversão de energia elétrica em mecânica e energia mecânica em elétrica (figura 1). Essa conversão ocorre em dispositivos de força (motores e geradores) e nos dispositivos de posição (relês, microfones, alto-falantes, transdutores).

Figura 1 - Processo de conversão eletromecânica de energia.

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


5

1.1 – Conceitos Básicos. 1.1.1 - Magnetismo. O magnetismo, como qualquer forma de energia, é originada na estrutura física da matéria, ou seja, no átomo. O elétron gira sobre seu eixo (spin eletrônico) e ao redor do núcleo de um átomo (rotação orbital) como mostra a figura 2.

Figura 2 – Movimento dos elétrons nos átomos.

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 em efeito magnético em uma mesma direção que resulta na expressão magnética externa. Esta expressão é conhecida como campo magnético permanente e é representado pelas linhas de campo. 1.1.2 – Fluxo Magnético. O Conjunto de todas as linhas do campo magnético que emergem do pólo norte do ímã é chamado de fluxo magnético (Figura 3). Simboliza-se o fluxo magnético com a letra grega Ø (fi). A unidade do fluxo magnético no SI é o (Wb). Um weber é igual a 1x108 linhas do campo magnético. Como o weber é uma unidade muito grande para campos típicos, costuma-se usar o microweber (μ Wb) (1μ Wb = 10-6 Wb).

Figura 3 – Campo delineado por linhas de força.

OBS: A corrente elétrica é dimensionada em Ampère. Um ampèr é igual a 6,25x1018 elétrons por segundo passando pela seção transversal de um condutor (1 C = 6,25x1018 elétrons).


6

Exercício: 1) Se um fluxo magnético Ø tem 3.000 linhas, calcule o número de microwebers. Transforme o número de linhas em microwebers. Resposta: Ø = 3.000 linhas = 3 x 103 = 30 x 10-6 Wb = 30 μWb 1x108 linhas/Wb 108

Figura 4 – Fluxo magnético como 3.000 linhas.

1.1.3 – Densidade de Fluxo Magnético.

Figura 5 – Linhas de Fluxo magnético cortando uma área.

A densidade de campo magnético, densidade de fluxo magnético ou simplesmente campo magnético, cuja unidade Tesla (T), é uma grandeza vetorial representada pela letra B e é determinada pela relação entre o fluxo magnético e a área de uma dada superfície perpendicular à direção do fluxo magnético. Assim: B = Ø [ T ] A Onde: B: densidade de fluxo magnético, Tesla [ T ] Ø: fluxo magnético, Weber [ Wb ] A: área da seção perpendicular ao fluxo magnético, metros quadrados [ m2 ] 1T = 1 Wb/ m2


7

Exercício: 2) Qual a densidade de fluxo em teslas quando existe um fluxo de 600μWb através de uma área de 0,0003 m2? Resposta: Dados: Ø = 600μWb = 6 x 10-4 Wb A = 0,0003 m2 = 3 x 10-4 m2

Substituindo os valores de Ø e A na fórmula de densidade de fluxo, B = Ø = 6 x 10-4 = 2 [ T ] A 3 x 10-4 1.1.4 – Ampères-espira NI. A intensidade de um campo magnético numa bobina de fio depende da intensidade da corrente que flui nas espiras da bobina. Quanto maior a corrente, mais forte o campo magnético. Além disso, quanto mais espiras, mais concentradas as linhas de força. O produto da corrente vezes o número de espiras da bobina, que é expresso em unidades chamadas de ampères-espira (Ae), é conhecido como força magnetomotriz (Fmm). Na forma da equação, Fmm = NI [A.e] Onde: Fmm: força magnetomotriz, [ A.e ] N: número de espiras I: corrente [ A ] Exercício: 3) Calcule os ampères-espira de uma bobina com 1.500 espiras e uma corrente de 4mA. Resposta: N = 1.500 espiras; I = 4 x 10-3 A NI = 1.500 (4 x 10-3) = 6 Ae


8

1.1.5 – Intensidade de Campo. É a quantidade de ampères-espira por metro de comprimento da bobina. A unidade é o Ae/m. H = NI [ A.e/m ], ou H = Fmm [ A.e/m ]. ℓ ℓ Onde: H: intensidade do campo magnético [ A.e/m ] N: número de espiras I: corrente [ A ] ℓ: comprimento da bobina em metros [ m ] Fmm: força magnetomotriz, [ A.e ] É importante observar que se aumentarmos o comprimento da bobina (esticando-a, por exemplo, como na figura 5a), mantendo a mesma quantidade de ampères-espira, a intensidade de campo diminui. Também se um núcleo ferro-magnético for introduzido na bobina, o comprimento “ℓ” usado no cálculo da intensidade de campo, será o comprimento desse material.

Figura 6 – Bobina com 30 espiras por onde circula uma corrente de 1A. Na figura 6a a bobina está sendo esticada ℓ=20cm, na figura 6b ela está sendo comprimida ℓ=10cm e na figura 6c se introduz um elemento ferro-magnético na bobina ℓ=30cm.

a) H=N.I/ℓ; H=30x1/0,2; H=30x1x10/2=300/2; H=150 Ae/m

b) H=N.I/ℓ; H=30x1/0,1; H=30x1x10/1=300/1; H=300 Ae/m

c) H=N.I/ℓ; H=30x1/0,3; H=30x1x10/3=300/3; H=100 Ae/m


9

Exercício 4: a) Calcule a intensidade de campo de uma bobina com 40 espiras, 10 cm de comprimento e passando por ela uma corrente de 3 A (Figura 6a). b) Se essa mesma bobina for esticada até atingir 20 cm, permanecendo constante o comprimento do fio e a corrente, qual o novo valor da intensidade de campo (Figura 6b)? c) A bobina de 10 cm da figura 6a com a mesma corrente de 3 A agora está enrolada em torno de um núcleo de ferro de 20 cm de comprimento (Figura 6c). Qual a intensidade do campo?

Figura 7 – Bobina com 40 espiras passando por ela uma corrente de 3A.

Resposta: a) N = 40 espiras; I = 3A; ℓ = 10 cm = 0,1 m. H = NI [ A.e/m ], ou H = Fmm [ A.e/m ]. ℓ ℓ H = 40 x 3 = 1200 A.e/m 0,1 b) N = 40 espiras; I = 3A; ℓ = 20 cm = 0,2 m. H = 40 x 3 = 600 A.e/m 0,2 c) N = 40 espiras; I = 3A; ℓ = 20 cm = 0,2 m. H = 40 x 3 = 600 A.e/m 0,2


10

1.1.6 – Permeabilidade Magnética. Um material na proximidade de um imã pode alterar a distribuição das linhas de campo magnético. Se diferentes materiais com as mesmas dimensões físicas são usado, a intensidade com que as linhas são concentradas varia (Figura 7). Esta variação se deve a uma grandeza associada aos materiais chamada permeabilidade magnética, μ. A permeabilidade magnética de um material é uma medida da facilidade com que as linhas de campo podem atravessar um dado material.

Figura 8 – Distribuição de linhas de campo: material magnético e não magnético.

A permeabilidade μ de um material magnético é dada pela razão entre B e H. μ = B [ T.m/Ae ] H A permeabilidade magnética do vácuo, μ0 vale: μ0 = 4π x 10-7 [ T.m/Ae ] Os materiais podem ser classificados como: a) Diamagnéticos – Têm a permeabilidade um pouco inferior à do vácuo. b) Paramagnéticos – Têm permeabilidade um pouco maior que a do vácuo. c) Ferromagnético – Têm permeabilidade de centenas e até milhares de vezes maior que o vácuo.


11

A relação entre a permeabilidade de um dado material e a permeabilidade do vácuo é chamada de permeabilidade relativa, assim:

Onde: μr: permeabilidade relativa de um material (adimensional) μm: permeabilidade de um dado material μ0: permeabilidade do vácuo 1.1.7 – Relutância R. O símbolo da relutância é R. A relutância é inversamente proporcional à permeabilidade. O ferro possui alta permeabilidade e, conseqüentemente, baixa relutância. O ar possui baixa permeabilidade e, portanto, alta relutância. Ø = fmm [ Wb ] ou R = fmm [ Wb ] R Ø onde: Ø: fluxo magnético, Wb Fmm: força magnetomotriz, Ae R: relutância, Ae/Wb


12

A relutância pode ser expressa na forma de uma equação da seguinte forma: R = ℓ [ Ae/Wb ] μ x A onde: R: relutância, Ae/Wb ℓ: comprimento da bobina, metros μ: permeabilidade magnética, T.m/Ae A: área da seção reta da bobina, m2

Figura 9 – Variação da relutância em função do entreferro.


13

Exercício: 5) Uma bobina tem uma fmm de 500 Ae e uma relutância R de 2 x 106 Ae/Wb. Calcule o fluxo Ø. Resposta: Ø = fmm [ Wb ] R Ø = 500 = 250 x 10 -6 Wb = 250 μWb 2 x 106 6) Partindo da equação Ø = fmm mostre que R = ℓ . R μ x A Resposta: Partindo de: Ø = fmm R

E sabendo que: Ø = B.A B = μ x H H = N . I ℓ

Temos: B = μ . N . I ℓ e: Ø = μ . N . I . A ℓ

logo: R = fmm = N . I = N. I. ℓ = ℓ__ Ø μ . N . I . A μ . N . I . A μ x A ℓ R = ℓ [ Ae/Wb ] μ x A


14

1.1.8 – Circuitos Magnéticos. Um circuito magnético pode ser comparado a um circuito elétrico no qual uma fem produz uma corrente. Seja um circuito magnético simples.

Figura 10 – Circuito magnético simples.

Os ampères-espira NI da força magnetomotriz produzem o fluxo magnético. Portanto, a fmm se compara à fem ou à tensão elétrica, e o fluxo Ø é comparado à corrente. A oposição que um material oferece à produção do fluxo é chamada de relutância, que corresponde à resistência.


15

Observe a analogia feita com os circuitos abaixo.

Figura 11 – Analogia entre o circuito elétrico e o circuito magnético. No circuito magnético Re e Rg correspondem a relutância no ferro e a relutância do ar.


16

Exercício: 7) O circuito magnético mostrado na figura abaixo tem as dimensões Af = Ag = 9 cm2, g = 0,050 cm, ℓf = 30 cm e N = 500 espiras. Supondo o valor μr = 70.000 para o material do núcleo, calcule: a) As relutâncias R f e R g. b) O fluxo Ø e a corrente I. Dada a condição de que o circuito magnético esteja operando com B = 1 T.

Figura 12 – (a) Circuito Magnético, (b) Circuito magnético equivalente.

Respostas: Calculando a área e o comprimento em metros. Af = Ag = 9 cm2

= 9 x 10-4 m2 ℓf = 30 cm = 0,3 m g = 0,050 cm = 5 x 10-4 m


17

a) Relutâncias: μm = μr x μ0 = 70.000 x 4π x 10-7 = 87,9 x 10-3 T.m/Ae R f = ℓ = 0,3 = 3,79 x 103 [ Ae/Wb ] μm x Af 87,9 x 10-3 x 9 x 10-4 R g = g = 5 x 10-4 = 442,1 x 103 [ Ae/Wb ] μ0 x Ag 4π x 10-7 x 9 x 10-4 b) Fluxo Ø. Sabendo que: B = Ø [ T ] A Logo: Ø = B x A [ Wb ] Ø = 1 x 9 x 10-4 = 9 x 10-4 Wb b) A corrente I. Sabendo que: Ø = fmm = NI_____ (R f + R g ) (R f + R g ) Ø = NI_____ (R f + R g ) Então: I = Ø (R f + R g ) = 9 x 10-4 (3,79 x 103 + 442,1 x 103 ) = 401,22 = 0,8 A N 500 500 I = 0,8 A


18

8) A estrutura magnética de uma máquina síncrona está mostrada esquematicamente na figura abaixo. Supondo que o ferro do rotor e do estator tenham permeabilidade infinita, encontre o fluxo Ø do entreferro e a densidade de fluxo Bg. Neste exemplo, I = 10A, N = 1000 espiras, g = 1 cm e Ag = 2000 cm2.

Figura 13 – (a) Máquina síncrona, (b) Circuito magnético equivalente.

Resposta: Calculando a área e o comprimento em metros. Ag = 2000 cm2 = 0,2 m2

g = 1 cm = 0,01 m


19

Como a permeabilidade do ferro no rotor e no estator e infinita, não existe relutância no ferro, apenas existe a relutância no espaço do entreferro. Encontrando o fluxo Ø. Ø = fmm = NI_____ (R f + R g ) (R f + R g ) fmm = N x I = 1000 x 10 = 10.000 Ae R f = 0 R g = g = 0,01 = 39,84 x 103 [ Ae/Wb ] μ0 x Ag 4π x 10-7 x 0,2 Ø = fmm = 10.000 __ = 0,12 Wb 2 x R g 2 x 39,84 x 103 Encontrando o densidade de fluxo B. B = Ø [ T ] A B = 0,12 = 0,6 T 0,2


20

1.1.9 - O indutor. Vejamos alguns fenômenos do indutor: 1) Todo indutor percorrido por corrente elétrica gera um campo magnético proporcional a essa corrente (seja ela contínua ou alternada). 2) Todo indutor sob a influência de um campo magnético variável gera corrente elétrica proporcional a esse campo. 3) Quando uma corrente variável é posta em um indutor, gera campo magnético variável e este gera de volta uma corrente no próprio indutor. Lei de Faraday.

A tensão induzida é diretamente proporcional ao número de espiras e a velocidade de variação do campo magnético. Podemos calcular a tensão induzida pela equação. Vinduzida = N x ΔØ Δt Onde: Vinduzida: tensão induzida N: número de espiras da bobina ΔØ : velocidade com que o fluxo intercepta o condutor, Wb/segundos Δt

Figura 14 – Movimento de um imã dentro de um solenóide, Provocando uma tensão induzida nos terminais da bobina do solenóide.


21

Lei de Lenz. Segundo a lei de Lenz, qualquer corrente induzida tem um sentido tal que o campo magnético que ela gera se opõe à variação do fluxo magnético que a produziu. Se o campo está aumentando no sentido norte, a corrente gera um campo norte também, se o campo diminui no sentido norte, a corrente gera um campo no sentido sul. Matematicamente, a lei de Lenz é expressa pelo sinal negativo que aparece na expressão da Lei de Faraday. Vinduzida = – N x ΔØ Δt Onde: Vinduzida: tensão induzida N: número de espiras da bobina ΔØ : velocidade com que o fluxo intercepta o condutor, Wb/segundos Δt

Figura 15 – Sentido da corrente em função da variação do campo magnético.


22

Trabalhando a fórmula de Lenz: Vinduzida = – N x ΔØ Δt O Fluxo Magnético é dado por: Ø = B x A [ Wb ] ou Ø = B x A x cos wt [ Wb ] Onde wt é igual ao ângulo formado entre as espiras de um gerador elétrico e o fluxo magnético. dØ = - BAw x sen wt (a derivada do cos wt é igual ao –sen wt) dt Ficando a tensão induzida resumida a fórmula: Vinduzida = – N x ΔØ = NBAw x sen wt Δt Onde: NBAw é igual a Tensão máxima. Onde: N; número de espiras B; Densidade de Fluxo Magnético A; Área de atuação do campo magnético em relação as espiras w; velocidade angular, de rotação Logo: Vinduzida = Vmáximo x sen (wt) Ou Vinduzida = Vmáximo x sen (wt + αº) Ou Vinduzida = Vmáximo x sen (wt - αº)


23

Exercício: 9) O fluxo de um eletroímã é de 6 Wb. O fluxo aumenta uniformemente até 12 Wb num intervalo de 2 segundos. Calcule a tensão induzida numa bobina que contenha 10 espiras se a bobina estiver parada dentro do campo magnético. Resposta: ΔØ = 12 – 6 = 6 Wb Δt = 2 segundos ΔØ = 6 = 3 Wb/s Δt 2 N = 10, logo: Vinduzida = – N x ΔØ = 10 x 3 = 30 V Δt 1.1.10 – Conceito de CV, HP e Watt. CV significa cavalo vapor e é definido como uma unidade de potência mecânica, assim como o HP que significa horse Power e também é uma unidade que identifica a potência mecânica. O Watt (W) é uma unidade que identifica a potência elétrica. As correlações entre elas estão definidas abaixo: 1CV = 736W e 1HP = 746W. Potência é uma grandeza que expressa o trabalho realizado no transcorrer de um intervalo de tempo. P = T [ W ] Δt Onde: P: potência em watt T: trabalho, N.m Δt: intervalo de tempo em segundos ( t – t0)


24

Um CV se define como a potência mecânica necessária para se elevar verticalmente uma massa de 75Kg à uma altura de 1 metro num tempo de 1 segundo.

Um HP se define como a potência mecânica necessária para se elevar verticalmente uma massa de 33.000 libras (14968,8 Kg) a uma altura de 1pé (30,4 cm) num tempo de 1 minuto.

Figura 16 – Definição do CV (Cavalo Vapor), trabalho mecânico realizado. Potências normalizadas em CV: 1/3; 1/2; 3/4; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 100; 125; 150; 175; 200; 250.


25

Exercício: 10) Um elevador com massa igual a 980 Kg deve ser elevado a uma altura de 30m por um motor. Se usarmos um motor que realize este trabalho em 30 segundos, qual a potência mecânica do motor? Considerar a aceleração da gravidade igual a 10 m/s2.

Figura 17 – Elevador sendo movimentado por um motor elétrico.

Resposta: Calculando o trabalho realizado. T = F x d = P x g x h = 980 x 10 x 30 = 288120 N.m = 288120 J Calculando a potência do motor sabendo que: P = T [ W ] Δt P = T = 288120 = 9604 W (potência elétrica ou potência de entrada) Δt 30 Calculando a potência mecânica do motor ou potência de saída: Pmecânica = 9604 = 13,04 CV; devemos usar um motor de 15 CV. 736


26

11) Um peso de 600N deve ser elevado a uma altura de 2 m por um motor. Se usarmos um motor que realize este trabalho em 12 segundos e outro que realize em 2 segundos, qual a potência mecânica de cada motor? Resposta: Sabendo que a força e igual ao peso e vale 600N, podemos calcular a potência mecânica dos dois motores. Motor 1. Realiza o trabalho em 12 segundos. Motor 2. Realiza o trabalho em 2 segundos. Cálculo do motor 1. T = F x d = P x d = 600 x 2 = 1200 N.m = 1200 J P = T = 1200 = 100 W (potência elétrica ou potência de entrada) Δt 12 Pmecânica = 100 = 0,136 CV; devemos usar um motor de 1/3 CV. 736 Cálculo do motor 2. T = F x d = 600 x 2 = 1200 N.m = 1200 J P = T = 1200 = 600 W (potência elétrica ou potência de entrada) Δt 2 Pmecânica = 600 = 0,815 CV; devemos usar um motor de 1 CV. 736


27

1.1.11 – Torque (relação entre conjugado e potência). Na especificação e seleção de motores pode ser importante a avaliação da quantidade de torque disponível, numa polia ou eixo de motor, para se executar uma determinado trabalho mecânico a uma certa velocidade. A equação que relaciona a potência fornecida com o torque externo e a velocidade é dada por: T = Pmecânica x 736 [ Watt ] = Pelétrica [ Watt ] wr wr T: torque, N.m wr: velocidade angular ou rotação, rad/s Exercício: 12) Qual o torque disponível no eixo do motor de 7,5 CV com o eixo girando a 1760 rpm? Resposta: Velocidade do eixo ou velocidade do motor = nr = 1760 rpm Transformando de rpm para velocidade angular wr. wr = nr . 2π rad/s = 1760 . 2π = 184,3 rad/s 60 60 Torque: T = Pelétrica = 7,5 x 736 = 29,93 N.m wr 184,3 Observação: Um Newton-metro significa que uma força de 1 Newton está sendo aplicada a 1 metro de distância.


28

1.1.12 – Rendimento. A potência de uma máquina é, de fato, sua capacidade de transformar energia, convertendo em trabalho num dado intervalo de tempo. Para isso, a máquina precisa absorver energia de alguma fonte. Entretanto, nem toda energia consumida da fonte é transformada em trabalho útil, pois sempre existem perdas. Num motor elétrico, por exemplo, as perdas são de natureza elétrica, magnética e mecânica. Quando falamos em perdas mecânicas, estamos nos referindo, principalmente à energia dissipada pelo atrito nas partes móveis.

Figura 18 – Perdas no motor elétrico.

Com base nos fatos, devemos distinguir entre a potência que é efetivamente transformada em trabalho útil, Pútil, e a potência absorvida da fonte de energia primária, Pabsorvida, pois esta é maior do que aquela. A diferença entre uma e outra parcela corresponde a potência perdida, Pperdida, ou seja

perdidaútilabsorvida PPP A próxima ilustração é um esquema conveniente para visualizarmos a equação 2.9.

Figura 19 – Rendimento de uma máquina.


29

A eficiência com que um sistema ou máquina transforma a potência absorvida em potência útil é expressa fisicamente como rendimento ()

absorvida

útil

PP

onde é adimensional. Como já vimos anteriormente, a potência absorvida é maior do que a potência útil, ou

útilabsorvida PP Assim:

10 Com freqüência, o rendimento é expresso em percentual, bastando para isso multiplicar a equação 2.10 por 100%. Desta forma

%100absorvida

útil

PP

Na maioria das aplicações mecânicas, trabalhamos com máquinas montadas em série. Logo, uma máquina fornece potência à outra, e assim sucessivamente (veja a figura).

Figura 20 – Associação de máquinas.


30

O rendimento total do sistema de máquinas será igual ao produto dos rendimentos parciais de cada máquina.

...321 total ou

...3

3

2

2

1

1 a

u

a

u

a

utotal P

PPP

PP

Exercício: 13) Qual o rendimento total de um sistema formado por um motor elétrico de rendimento 90% e de uma máquina cujo rendimento é de 70%. ntotal = 0,9 x 0,7 = 0,63

ntotal (%) = 63% 14) Um motor elétrico trifásico tem uma potência mecânica útil entregue ao eixo igual a 3 CV. Sabendo que na placa de identificação do motor o rendimento vale 85%, qual o valor da potência elétrica ativa, solicitada ou consumida da rede elétrica pelo motor? Resposta: n (%) = Pmecânica x 100 Pativa Saída: Pmecância = 3 CV (potência de saída) Pelétrica = 3 x 736 = 2208 W

Entrada: n (%) = Pmecânica x 100 Pativa 85 = 2208 x 100 Pativa

Pativa = 2208 x 100 = 2597,6 W 85 Pativa = 2597,6 W (potência de entrada)


31

2 – Motor Síncrono. 2.1 – Aspectos Funcionais.

Oriundo do termo síncronos (sin = mesmo e cronos = tempo). O sincronismo relaciona a velocidade do campo girante criado pela fonte AC com a velocidade do rotor, ou seja, o rotor gira na mesma velocidade que o campo girante no arranjo normal das máquinas síncronas. Como os motores de indução, os motores síncronos têm enrolamento no estator que produzem um campo magnético rotativo. Mas, ao contrário do motor de indução, o circuito do rotor de um motor síncrono é excitado por uma fonte cc. O rotor engata na mesma rotação do campo magnético rotativo e o acompanha com a mesma velocidade. Se o rotor sair do sincronismo com o campo rotativo do estator, não se desenvolve nenhum torque e o motor para. Como um motor síncrono desenvolve torque somente quando gira na velocidade de sincronismo, ele não tem partida própria e conseqüentemente precisa de algum dispositivo que faça o rotor girar na velocidade de sincronismo.

Figura 21 – Esquema elétrico de uma máquina síncrona.

Como os motores de indução, os motores síncronos têm enrolamento no estator que

produzem um campo magnético rotativo. Mas, ao contrário do motor de indução, o circuito do rotor de um motor síncrono é excitado por uma fonte cc (figura 21). O rotor engata na mesma rotação do campo magnético rotativo e o acompanha com a mesma velocidade. Se o rotor sair do sincronismo com o campo rotativo do estator, não se desenvolve nenhum torque e o motor para. Como um motor síncrono desenvolve torque somente quando gira na velocidade de sincronismo, ele não tem partida própria e conseqüentemente precisa de algum dispositivo que faça o rotor girar na velocidade de sincronismo.


32

A freqüência das tensões geradas na armadura (estator) são definidas pela

velocidade do rotor, através da expressão: f = P. n = P x n 120 2 60 Onde: = freqüência (Hz) n = velocidade (rpm) P = nº de pólos As máquinas síncronas podem ser geradores (alternadores), motores ou

compensadores. Alternador é a designação genérica dada a qualquer gerador que gere tensão

alternada, sendo o mesmo classificado como síncrono ou assíncrono (minoria). Enquanto o compensador síncrono é um motor síncrono operando em vazio tendo como objetivo corrigir o fator de potência do sistema.

As máquinas síncronas são fabricadas, geralmente, em grandes unidades (potências relativamente grandes) e utilizadas para a geração de energia. Comparadas com os transformadores e motores de indução, que são fabricados em larga escala, as máquinas síncronas são onerosas, possuem enrolamento de campo especial para corrente contínua e precisam de fonte C.C., além de necessitar velocidade constante, pois o objetivo primordial é ter a freqüência constante igual a 60 Hz. A máquina síncrona como motor, deve receber atenção especial em sua operação e tem aplicação diferenciada e muito interessante no controle do fator de potência, além de ser uma das poucas máquinas cuja velocidade na ponta do eixo é a mesma do campo girante magnético (sincronia). O motor síncrono, quando a tecnologia de capacitores ainda não havia atingido o ponto satisfatório, foi muito utilizado para absorver potência reativa da rede, melhorando o fator potência. Atualmente, é difícil encontrá-lo nesse tipo de aplicação e não são muitas as indústrias que o mantêm em atividade, mas toda a tecnologia nesse motor ajudou e pode ajudar a desenvolver outras idéias e deve ser estudada com dedicação, além de auxiliar no entendimento da máquina síncrona como gerador, o coração da produção de energia elétrica. O máquina síncrona possui um enrolamento trifásico no estator (parte fixa) e um enrolamento de corrente contínua no rotor (parte móvel). Como gerador, excitamos o rotor e aplicamos força mecânica para que o campo magnético no rotor corte as bobinas no estator, tendo a tensão alternada trifásica gerada. Como motor é preciso aplicar tensão trifásica ao estator, em que é produzido um campo girante com freqüência determinada pela rede e velocidade de acordo com a freqüência e o número de pólos do enrolamento.


33

Veja novamente a equação.

f = P. n = P x n 120 2 60 Onde: = freqüência (Hz) n = velocidade (rpm) P = nº de pólos

Ao rotor aplicamos tensão contínua para produzir um campo magnético fixo que acompanha o campo girante fielmente.

Figura 22 – Esquema elétrico de uma máquina síncrona.

Na figura 22 existem dois pólos no rotor criados pela excitação em corrente contínua aplicada e um campo magnético girante no estator com velocidade determinada pela freqüência da rede e pelo número de pólos da máquina. O problema do motor síncrono é a incapacidade de atingir a velocidade síncrona, partindo da inércia, sob carga, sem procedimentos especiais, tais como:


34

a) Construção de uma gaiola envolvendo o rotor. Coloca-se barras no sentido longitudinal da máquina, curto-circuitada nas extremidades por anéis. Nesta configuração, na partida, correntes bastantes elevadas são induzidas nestas barras em função da baixa impedância, aumentando consideravelmente o fluxo magnético, fazendo com que o motor parta. Quando o rotor da máquina está girando em regime permanente, a velocidade do campo girante é a mesma velocidade do eixo do motor, neste momento nenhuma tensão é induzida nestas barras e elas simplesmente não agem. b) Dispositivos de partida externa. Outro motor acoplado ao eixo fornecendo torque suficiente para a partida do motor síncrono. c) Utilizando um conversor de freqüência ajustável. Tem-se então um campo girante com velocidade angular variável. Nesta circunstância, inicialmente regula-se o conversor para geração de um campo girante com uma freqüência baixa, de tal forma que rotor comece a girar. A seguir, aumenta-se a freqüência do campo girante até a velocidade síncrona. Conclusão: O motor síncrono é incapaz de partir sem a ajuda sob certas situações de carga. Em vazio talvez parta, mas com carga, dificilmente. Normalmente se utiliza outro motor acoplado ao eixo do motor síncrono para imprimir velocidade ao motor síncrono até atingir 90% da velocidade do campo girante no estator. Então o motor auxiliar é desacoplado e o motor síncrono busca a sincronia com o campo magnético no estator e toma o controle da situação.


35

Universo tecnológico dos motores síncronos.

Figura 23 – Universo tecnológico dos motores.


36

Exercício: 15) Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é igual a 1800 rpm. Pede-se: a) A potência aparente. b) O fator de potência do motor. c) A potência mecânica disponível no eixo no motor. d) O torque. e) O número de pólos do motor.

Figura 24 – Motor síncrono sendo alimentado por uma rede trifásica.

Respostas: Sabendo que: Ilinha = Ifase Vlinha = 3 Vfase = 380 V P = 1800 W N = 85% n =1800 rpm a) A potência aparente trifásica. S3Ø = 3 Vlinha x I linha = 3 x 380 x 10 = 6581 VA S3Ø = 3 Vfase x I fase = 3 x 380/ 3 x 10 = 6581 VA


37

b) Fator de potência do motor. FP = cos Ø = potência real = 1800/6581 = 0,27 potência aparente c) A potência mecânica disponível no eixo do motor (saída). n (%) = Pmecânica x 100 Pativa 85 = Pmecânica x 100 1800 Pmecânica = 1800 x 0,85 = 1530 W Pmecânica = 1530 = 2,07 CV 736 d) Torque. wr = nr . 2π rad/s = 1800 . 2π = 188,5 rad/s 60 60 Torque: T = Psaída = 2,07 x 736 = 8,08 N.m wr 188,5 e) O número de pólos do motor. f = P. n 120 P = 120f = 120 x 60 = 4 polos n 1800


38

16) O bate estaca eleva o batente de 2 toneladas a uma altura 10 metros. Calcule o trabalho realizado pela força peso e a potência do motor (despreze as perdas por atrito) se o percurso de elevação foi feito em 20 s. Considere g=10m/s2.

massa = 2000Kg h = 10m t = 20s Trabalho: T = m.g.h = 2000x10x10 = 200KJ Potência elétrica: P = Trabalho/Δt = 200K/20 = 10KW Potência Mecânica: Pmecânica = Pelétrica / 736 = 13,58 CV

17) Um guindaste eleva uma carga de 2 toneladas a uma altura de 1m em 5s. Determine o rendimento do sistema se o motor utilizado é de 12 HP.

massa = 500 Kg h = 1 m Δt = 0,5 s Trabalho: T = m.g.h = 500x10x1 = 5KJ Potência elétrica (entrada): P = Trabalho/Δt = 5K/0,5 = 10KW

Potência elétrica (saída) = 12 HP = 12 x 746 = 8952 W Rendimento: n = Psaída / Pentrada = 8952/10000 = 0,8952

n (%) = 89,5 %


39

2 – Motor Síncrono. 2.2 – Aspectos Construtivos. As partes básicas da máquina síncrona são: a) Induzido ou armadura (estator). Com enrolamento trifásico distribuído em ranhuras.

Figura 25 – Estator de uma motor síncrono. b) Indutor (rotor). Com enrolamento de campo de excitação com excitação cc. Esse enrolamento é conectado a uma fonte externa por meio de anéis e escovas. Dependendo da construção do rotor, uma máquina síncrona pode ser do tipo rotor cilíndrico (ou pólos lisos) ou do tipo pólos salientes.

Figura 26 – (a) Rotor de pólos lisos. (b) Rotor de pólos salientes.


40

c) Conjunto de escova e anéis. Têm por função conectar a fonte de corrente contínua com os pólos do rotor. Tratando-se de componentes que se desgastam e que podem produzir faíscas e interferência eletromagnética.

Figura 27 – Anéis coletores e escovas.

d) Carcaça. Sua função principal é apoiar e proteger o motor, alojando também o pacote de chapas e enrolamentos do estator. Podem ser construídas nos tipos horizontal e vertical e com grau de proteção de acordo com as necessidades do ambiente. e) Eixo. Os eixos são fabricados de aço forjado ou laminado e usinados e tem como função apoiar as bobinas do rotor.

Figura 28 – 1 Cubo do rotor, 2 Aranha, 3 Pólos, 4 Eixo, 5 Enrolamento de campo, 6 e 7 Enrolamento amortecedor.


41

f) Mancais de rolamento ou deslizamento. Os mancais de rolamentos são construídos normalmente de rolamentos de esferas ou de rolos cilíndricos, dependendo da rotação e dos esforços axiais e radiais a que são submetidos. Os mancais de deslizamento podem ser lubrificados naturalmente (auto-lubrificáveis) ou lubrificados de forma forçada (lubrificação externa). Os mancais têm a função de sustentarem o rotor na estrutura da máquina síncrona e permitirem que o rotor gire de forma livre.

Figura 29 – (a) Mancal de rolamento, (b) Mancal de deslizamento.

2.3 - Tipos de excitação da Máquina Síncrona. Podem ser excitados por uma fonte de energia elétrica externa ou pela própria energia gerada devidamente retificada (auto-excidada); assim tem-se: a) Excitatriz rotativa. Em geral, um gerador de corrente contínua acionado pelo eixo do gerador. Neste caso tem-se “excitação própria”. Necessita de escovas para alimentação de campo. b) Excitatriz Brushless. Neste tipo de excitatriz, a tensão de alimentação do campo é retificada por um conversor rotativo localizado no eixo da máquina. Somente pode ser considerado como excitação independente se possuir um gerador de ímã permanente de pólos fixos e armadura girante. Como o próprio nome diz, não possui escovas para a alimentação do campo. c) Auto Regulado. A corrente de campo é proporcional à corrente fornecida pelo alternador. Para que isto seja possível, utiliza-se de transformadores de corrente e ponte retificadora externa à máquina. Necessita de escovas.


42

d) Excitação Estática (com escovas). A tensão de alimentação do campo provém de uma fonte independente do alternador, sendo retificada por conversores estáticos. A alimentação do campo é feita através de escovas. 2.4 – Circuito Equivalente do Motor Síncrono (por fase). O modelo do motor síncrono (circuito equivalente) é apresentado abaixo, onde: jXs é a reatância síncrona (ohms). Ra é a resistência de armadura (ohms). Vt é a tensão da fonte aplicada ao estator (armadura). Vg é a força contra-eletromotriz (gerada internamente no enrolamento do estator). Ia Corrente do estator.

Figura 30 – Circuito equivalente do motor síncrono.

A fórmula aplicada para o circuito equivalente acima é: Vt = Vg + Ra . Ia + jXs . Ia Podemos calcular Vg (fcem) usando a fórmula abaixo: Vg = (Vt cos – Ia . Ra) + j (Vt sen + Ia Xs), ou Vg = (Vt cos – Ia . Ra) + j (Vt sen – Ia Xs), ou Vg = (Vf – Vf cos ) + j(Vf sen ), ou Vg = (Vf – Vf cos ) – j(Vf sen ) O sinal + Ia Xs é usado para um fator de potência em avanço. O sinal – Ia Xs é usado para um fator de potência em atraso. O ângulo é chamado de ângulo elétrico correspondente ao torque.


43

A impedância no motor é dada pela fórmula: Z = Ra + jXs A queda de tensão no estator é calculada pela fórmula: Er = Ia Z = Ia (Ra + jXs) 2.5 – Efeito da Carga Sobre Motores Síncronos. Quando um motor síncrono funciona sem carga, o ângulo de torque é praticamente zero grau, a força contra-eletromotriz Vg é igual a tensão aplicada ou a tensão do terminal Vt (desprezando as perdas do motor) e o fator de potência é igual a 1. Aumentando-se as cargas e os ângulos de torque, a posição da fase de Vg varia com relação a Vt que permite um fluxo de corrente maior no estator para suportar a carga adicional. Vt e Vg não estarão mais em sentidos opostos.

Figura 31 – (a) Motor trabalhando sem carga, (b) Motor trabalhando com carga.

O ângulo é chamado de ângulo de torque, a figura 31b mostra um motor trabalhando subexcitado com um fator de potência indutivo, a corrente está atrasada da tensão nos terminais de um ângulo θ. O ângulo corresponde à diferença entre a posição do centro do eixo do rotor do motor em relação ao centro no pólo do estator, é corresponde a um ângulo macânico dado em graus mecânicos. Para calcular o ângulo elétrico é necessário usar a equação abaixo: = Número de Pólos x ( /2); Onde corresponde ao ângulo elétrico (dado em graus elétricos) correspondente à diferença entre a posição do centro do eixo do rotor do motor em relação ao centro no pólo do estator.


44

Exercício: 18) Um motor síncrono de 20 pólos, 40 HP, 660V, 60 Hz, trifásico, ligado em estrela está funcionando em vazio com a sua tensão gerada por fase exatamente igual a tensão de fase aplicada à sua armadura (estator). À vazio, o rotor atrasa-se de 0,5 graus mecânicos em relação à sua posição síncrona. A reatância síncrona é 10Ω e sua resistência efetiva de armadura é igual a 1Ω por fase. Calcule: a) O giro do motor em relação à posição síncrona em graus elétricos. b) A fcme (Vg) da armadura resultante, por fase. c) A corrente de armadura, por fase. Respostas: a) = Pólos x ( /2) = 20 . (0,5/2) = 5º elétricos b) Vf = 660/ 3 = 381V Vg = (Vf – Vf cos ) + j(Vf sen ) Vg = ( 381 – 381 cos 5º) + j(381 sen 5º) Vg = 33,2 |87,3º V/fase c) Z = Ra + jXs Z = 1 + j 10 Z = 10 |84,3º Ω/fase Ia = Vg/Z = 33,2 |87,3º / 10 |84,3º = 3,32 |3º A/fase


45

2.6 – Correção do fator de potência com o uso de motor síncrono. Uma vantagem incrível do motor síncrono é que ele funciona com um fator de potência (FP) igual a um. Variando-se a intensidade do campo cc no rotor, o fator de potência total de um motor síncrono poderá ser ajustado ao longo de uma faixa considerável. Assim, o motor simula uma carga capacitiva através da linha. Se um sistema elétrico estiver funcionando com um fator de potência indutivo, os motores síncronos ligados através da linha são ajustados para um FP capacitivo podendo aumentar e melhorar o FP do sistema. Qualquer melhora no FP aumenta a capacidade de fornecimento para a carga, aumenta a eficiência e, em geral, melhora as características de funcionamento do sistema. Para uma carga mecânica constante, pode-se variar o FP de um motor síncrono de um valor capacitivo para um valor indutivo ajustando-se a sua excitação de campo cc. A excitação de campo é ajustada de modo que o FP seja igual a 1.

Figura 32 –Motor síncrono com um reostato para ajuste da excitação de campo na correção do FP.


46

Exercício: 19) A carga de uma instalação industrial é de 400 kVA para um fator de potência de 0,75 indutivo. Qual deve ser o FP da carga adicional de 100 kW de um motor síncrono se ele aumentar o FP da instalação toda para 100%?

Figura 33 –Triângulo das potências para a instalação elétrica da industria.

Cálculo das potências para a industria. S = 400 kVA (potência aparente) FP = cosθ = 0,75 θ = arc cos 0,75 = 41,4º P = S.cosθ = 400k x 0,75 = 300kW (potência ativa) Q = S.senθ = 400k x sem 41,4º = 264,5 kVAR (potência reativa) Cálculo para a correção do FP para 100% com o motor síncrono.

Figura 34 –Triângulo das potências do motor síncrono e vetores das potências com o motor instalado na industria.

Motor. P = 100 kW Q = 264,5 kVAR tg θ = 264,5k / 100k = 2,64 arc tg 2,64 = 69,28º cos 69,28º = FP = 0,35 Dados para a fabricação do motor – P = 100kW; FP = 0,35. Potência ativa da industria, após a instalação do motor será igual a 300k+100k=400kW .


47

20) A carga elétrica de uma indústria é de 500kVA para um FP indutivo igual a 0,8. Dimensione um motor síncrono com ¼ da potência real da carga instalada e calcule o FP do motor para que o mesmo corrija o FP de toda instalação para 92% (FP=0,92). Calcule o preço da conta de energia desta indústria durante o mês, antes e depois da instalação do motor, sabendo que a indústria funciona 24 horas por, todos os dias do mês e o preço do kWh é igual a R$ 0,50.

Figura 35 –Triângulo das potências para a instalação elétrica da industria.

Cálculo das potências para a indústria. S = 400 kVA (potência aparente) FP = cosθ = 0,75 θ = arc cos 0,75 = 41,4º P = S.cosθ = 400k x 0,75 = 300kW (potência ativa) Q = S.senθ = 400k x sem 41,4º = 264,5 kVAR (potência reativa) Cálculo para a correção do FP para 100% com o motor síncrono.

Figura 36 –Triângulo das potências do motor síncrono e vetores das potências com o motor instalado na industria.

Motor. P = 100 kW Q = 264,5 kVAR tg θ = 264,5k / 100k = 2,64 arc tg 2,64 = 69,28º cos 69,28º = FP = 0,35 Dados para a fabricação do motor – P = 100kW; FP = 0,35. Potência ativa da indústria, após a instalação do motor será igual a 300k+100k=400KW.


48

Conta de energia mensal (KWh). Potência da instalação = 400K + 100K = 500KW Tempo = 30x24 = 720 horas Preço do KWh = R$ 0,50 Preço = 720 x 500K x 0,50 = R$ 180.000,00 3 – Geradores Síncronos. 3.1 – Aspectos Funcionais. Princípio de funcionamento: Um gerador síncrono apresenta aspectos construtivos similares ao motor síncrono (máquina síncrona), e sendo assim, diferem apenas na forma de serem empregados. O gerador tem a velocidade de seu eixo estabelecida por uma máquina primária fornecendo energia elétrica com tensões e correntes alternadas para que ambas as operações sejam possíveis, é necessário que a máquina seja excitada utilizando-se de uma fonte de energia elétrica contínua. Quanto às aplicações dos geradores síncronos também conhecidos por alternadores, praticamente toda a geração de energia elétrica mundial ocorre empregando este tipo de máquina elétrica.

Figura 37 – Gerador Elementar.


49

3.1.1 – Princípio de funcionamento do gerador síncrono monofásico.

Figura 38 – Força eletromotriz induzida nos terminais de uma espira.

Considere a figura 38 onde se mostra uma espira em um campo magnética uniforme, criado pelos pólos norte e sul. Sendo o fluxo constante e girando-se a espira com uma velocidade angular ω definida, resulta em movimento entre a espira e o campo. Desta forma pela lei de Faraday-Lens, nos terminais desta espira será induzida uma tensão, a qual poderá ser aplicada a um circuito externo através de anéis coletores e escovas. Analisando o fluxo e adotando a espira como referência, podemos dizer que este é variável no tempo e dado por: Ø = Øn cosωt = B.A.cosωt Tensão induzida: e = - N.dØ/dt dØ/dt = -N.B.A.ω (-senωt) dØ/dt = N.B.A.ω (senωt) e = N.B.A.ω.senωt e = EMáxima.senωt onde: Emáximo = N.B.A.ω (tensão máxima).


50

como: ω = 2π.f e = N.B.A.ω.senωt e = N.B.A.2π.f.senωt e = N.B.A.2π.(P.n/120).senωt N – Número de espiras. B – Densidade de fluxo. A – Área do fluxo. ω – Velocidade angular. Assim, verifica-se que a força eletromotriz induzida é alternada e senoidal.

Figura 39 – Valores de amplitude de uma onda senoidal de corrente alternada.

Veficaz = Vrms = VPico/ 2 A cada giro da espira (figura 39), obtém-se um ciclo completo da tensão gerada. A freqüência e dada pela fórmula: f= P.n/120. onde: P é o número de pólos do gerador, n é a velocidade em rpm.


51

Até o presente ponto, os pólos foram representados por imãs permanentes. Entretanto, em geral, a formação do campo magnético se dá através de eletroímãs, pela circulação de corrente contínua em espiras localizadas ao redor das chamadas “sapatas polares”. A este conjunto de espiras denominamos “enrolamentos de campo”. A tensão induzida pode ser aplicada a um circuito externo através de um conjunto de anéis e escovas. A alimentação do enrolamento de campo é efetuada por uma fonte de corrente contínua.

Figura 40 – Pólos girantes e enrolamento de campo.

Figura 41 – Gerador monofásico simplificado. Armadura fixa e pólos girantes.


52

3.1.2 – Princípio de funcionamento do gerador síncrono trifásico. O emprego do gerador monofásico é restrito a poucos casos, sendo os trifásicos os mais utilizados. Em princípio, pode-se considerar que o alternador trifásico é composto por três monofásicos iguais construídos em uma mesma máquina, dispostos a um ângulo a 120° elétricos um do outro.

Figura 42 – Gerador trifásico elementar. Enrolamentos concentrados.

Considerando-se que na figura 42 os enrolamentos A-A’, B-B’ e C-C’ são três geradores monofásicos independentes (ou fases), tem-se como resultado a indução de três tensões distintas. O zero de cada uma das fases se dará a 120° das tensões induzidas nos enrolamentos. Por outro lado, para que as tensões sejam simétricas o número de espiras do enrolamento de cada fase deve ser igual. Estando a máquina em operação a tensão gerada poderá ser alternada apenas se houver atuação na velocidade do rotor e do fluxo magnético, o qual por sua vez depende da corrente de excitação (ou de campo) para que haja circulação de corrente nos enrolamento, eles poderão ser conectados em delta ou, geralmente, em estrela.

Figura 43 – Enrolamentos da armadura (estator) do gerador ligados em estrela.


53

Nas máquinas reais, os enrolamentos são distribuídos de tal modo que se obtenha uma forma de onda de tensão o mais próximo possível da senoidal. As tensões induzidas nos enrolamentos de um gerador trifásico têm a forma parecida com as ondas senoidais do gráfico da figura 44 abaixo.

Figura 44 – Tensões induzidas nos enrolamentos da armadura (estator) de um gerador trifásico.

Tensões: VA-A’ = VMáx.sen (ωt) VB-B’ = VMáx.sen (ωt + 120°) VC-C’ = VMáx.sen (ωt - 120°) Lembrando que VMáx = N.B.A.ω Onde: N – Número de espiras. B – Densidade de fluxo magnético A – Área da bobina. ω – Velocidade angular (de giro)


54

Exercício: 21) A tensão senoidal em um gerador síncrono trifásico varia de 0 a um valor máximo de 220V. Qual o valor da tensão nas três fases no instante que no ciclo estamos a 30° e 90°. (sabendo que sen 30° = 0,5 e sen 90° = 1). Resposta: Quando estivermos em 30° teremos: VA-A’ = VMáx.sen (ωt) = 220 sen 30° = 110V VB-B’ = VMáx.sen (ωt + 120°) = 220 sen (30+120°) = 110V VC-C’ = VMáx.sen (ωt - 120°) = 220 sen (30-120°) = - 220V Quando estivermos em 90° teremos: VA-A’ = VMáx.sen (ωt) = 220 sen 90° = 220V VB-B’ = VMáx.sen (ωt + 120°) = 220 sen (90+120°) = - 110V VC-C’ = VMáx.sen (ωt - 120°) = 220 sen (90-120°) = - 110V

Figura 45 – Tensões induzidas nos enrolamentos do gerador trifásico do exercício 21.


55

Exercício: Preencha a tabela e construa o gráfico das tensões nas fases A, B e C do gerador síncrono trifásico, sabendo que: VMáx = 1VAC e π (rad) = 180°. Quando ωt = π/2 qual o valor das tensões nas fases A, B e C. Um motor assíncrono de indução alimentado por este gerador síncrono terá o sentido de rotação do seu eixo no sentido horário ou anti-horário.

Fase A Fase B Fase C ωt (rad) ωt (graus) VMáx. senωt VMáx. sen(ωt+120°) VMáx. sen(ωt+120°)

0 0° 0V 0,866V -0,866V π/3 60° 0,866V 0V -0,866V 2π/3 120° 0,866V -0,866V 0V

π 180° 0V -0,866V 0,866V 4π/3 240° -0,866V 0V 0,866V 5π/3 300° -0,866V 0,866V 0V 2π 360° 0V 0,866V -0,866V

π/2 90° 1 -0,5 -0,5

Construção do gráfico:

Figura 46 – Tensões induzidas nos enrolamentos do gerador trifásico do exercício.


56

3.2 – Aspectos construtivos do gerador Síncrono. As partes construtivas principais de um gerador síncrono são mostradas na figura de forma esquemática e são discutidas brevemente no que segue.

Figura 47 – Forma esquemática de uma máquina síncrona.

a) Conjunto de escova e anéis. Têm por função conectar a fonte de corrente contínua com os pólos do rotor. Tratando-se de componentes que se desgastam e que podem produzir faíscas e interferência eletromagnética, em geral se empregam geradores com excitação sem escovas, denominados geradores brushless.

Figura 48 – Anéis coletores e escovas.


57

b) Estator.

O estator da máquina síncrona é muito semelhante ao de um motor de indução. É composto de chapas laminadas dotadas de ranhuras axiais onde é alojado o enrolamento do estator (enrolamento da armadura). Em geral as máquinas síncronas são trifásicas, sendo que geradores monofásicos são mais utilizados em pequenas potências, ou quando não existe uma rede trifásica disponível. No estator fica alojado o enrolamento da armadura e é deste enrolamento que se fornece a tensão do gerador para uma carga.

Figura 49 – Armadura de um gerador Siemens de 10 MVA (Hidrelétrica de Paranoá)


58

c) Rotor. Consiste nas partes ativas giratórias é formado de chapas laminadas justapostas que em geral são do mesmo material que o estator. Do ponto de vista construtivo existem dois tipos básicos de rotores: rotores contendo pólos salientes e rotores contendo pólos lisos.

Figura 50 – (a) Rotor de pólos salientes, (b) Rotor de pólos lisos.


59

3.3 – Operação em Paralelo de Geradores Síncronos. Para ligar um gerador síncrono em paralelo com outro gerador ou com um barramento energizado, é necessário verificar as seguintes condições: 1 – Mesma seqüência de fases; 2 – Mesmo nível de tensão; 3 – Mesma freqüência; 4 – Mesmo ângulo de fase. Com exceção da seqüência de fases, as demais condições devem ser ajustadas durante a operação de paralelismo. A este ajuste chamamos de “sincronização”. A sincronização pode ser manual ou automática. Os geradores síncronos ligados em paralelo a uma rede comum devem possuir exatamente a mesma freqüência, ou seja, devem girar em sincronismo. Isto implica que devem fazê-lo à mesma velocidade, já que a freqüência também depende do número de pólos, em outras palavras, é necessário que as máquinas desenvolvam uma velocidade tal que resulte em uma mesma freqüência em todas as unidades em paralelo. Observe-se que, as máquinas primárias, por si só, não conseguem manter sua velocidade absolutamente constante, para que a freqüência fique igualmente constante. Como na operação em paralelo são possíveis oscilações de velocidade, a manutenção deste estado deve-se à existência de um conjugado sincronizante. Assim, a operação estável implica em um ponto comum de funcionamento, determinado por todas as máquinas que se encontram em paralelo; entretanto, existem limites para que o conjugado sincronizante torne a operação estável. Pelo exposto, a colocação de um novo gerador em paralelo é uma das situações mais importantes nestas condições operacionais: para que isto seja possível sem quaisquer danos à máquina ou ao sistema é necessário atender vários quesitos fundamentais. Na realidade, todas elas são condições para evitar que haja corrente de circulação pela malha formada pelos geradores que estão em paralelo e o que está entrando. A figura 51 ajuda na compreensão do problema.

Figura 51 – Geradores monofásicos em paralelo.


60

Na figura 51 estão representados dois geradores monofásicos, porém a análise efetuada a seguir é valida também para os trifásicos. Supondo-se que, por um motivo qualquer: E1 ≠ E2 Resulta: I circulante = E1 + E2 Z1 + Z2 Note-se que a corrente de circulação existirá, independentemente da presença de cargas; como a malha formada pelas armaduras das duas máquinas possui uma baixa impedância, o nível da corrente será elevado e dependente da diferença das forças eletromotrizes de ambos os geradores. A tensão no ponto de interligação entre ambas é: U = E1 – Z1.I circulante

Ou U = E2 – Z2.I circulante Como a resistência das máquinas são muito menores que as reatâncias, verifica-se que a corrente de circulação será predominante indutiva; desta forma, para o gerador G1 a reação de armadura tende a causar um efeito desmagnetizate e magnetizante para o G2. Isto, naturalmente, implica em dizer-se que G1 está agindo como gerador e G2 como motor. Os conjugados sincronizantes tendem a agir no sentido de compensar estas diferenças, produzindo esforços excessivos no eixo das máquinas podendo danificá-las (há casos em que o conjugado resultante é superior ao causado por um curto-circuito trifásico brusco). Além desta situação desfavorável, a corrente de circulação resultará em sobreaquecimento nos enrolamentos dos geradores. Desta forma, para evitar a citada corrente de circulação é necessário que a tensão gerada pela máquina seja rigorosamente igual ao do sistema ao que será acoplada em paralelo. Como as tensões são alternadas, vários fatores estão envolvidos; de modo mais específico, é necessário que as tensões geradas pela máquina, em relação às do sistema, possuam: a) A mesma forma de onda; b) A mesma freqüência; c) O mesmo valor eficaz; d) A mesma seqüência de fase (máquinas trifásicas); e, e) Defasagem nula entre as respectivas ondas de tensão.


61

A figura 52 ilustra situações nas quais pelo menos uma destas condições não é atendida.

Figura 52 – Formas de onda de dois geradores a serem ligados em paralelo. a) Formas de onda diferentes; b) Valores eficazes diferentes; c) Freqüência diferentes; d) Ângulos de fase diferentes; e) Seqüência de fases diferentes. A análise da figura 52 é bastante clara, ou seja, se qualquer uma das condições fundamentais não for obedecida, haverá diferença de potencial entre as fases correspondentes resultando em corrente de circulação.


62

4 – Fontes Alternativas de Energia.

No Brasil a maior quantidade de energia elétrica produzida provém de usinas hidrelétricas (cerca de 95%). Em regiões rurais e mais distantes das hidrelétricas centrais, têm-se utilizado energia produzida em usinas termoelétricas e em pequena escala, a energia elétrica gerada da energia eólica.

Visão geral das fontes alternativas de energia elétrica: hídrica, térmica, nuclear, geotérmica, eólica, marés, fotovoltaica e química. 4.1 – Energia hídrica.

Nas usinas hidrelétricas, a energia elétrica tem como fonte principal a energia proveniente da queda de água represada a certa altura. A energia potencial que a água tem na parte alta da represa é transformada em energia cinética, que faz com que as pás da turbina girem, acionando o eixo do gerador, produzindo energia elétrica. Utiliza-se a energia hídrica no Brasil em grande escala, devido aos grandes mananciais de água existentes.

Atualmente estão sendo discutidas fontes alternativas para a produção de energia elétrica, pois a falta de chuvas está causando um grande déficit na oferta de energia elétrica. A maior usina hidrelétrica do Brasil é a de Itaipu (Foz de Iguaçu) que tem capacidade de 12600 MW (fig.51).

Figura 53 – Usina hidrelétrica de Itaipu.


63

4.2 – Energia térmica.

Nas usinas termoelétricas a energia elétrica é obtida pela queima de combustíveis, como carvão, óleo, derivados do petróleo e, atualmente, também a cana de açúcar (biomassa).

A produção de energia elétrica é realizada através da queima do combustível que aquece a água, transformando-a em vapor. Este vapor é conduzido à alta pressão por uma tubulação e faz girar as pás da turbina, cujo eixo está acoplado ao gerador. Em seguida o vapor é resfriado retornando ao estado líquido e a água é reaproveitada, para novamente ser vaporizada.

Figura 54 – Usina térmica. Vários cuidados precisam ser tomados tais como: os gases provenientes da queima do combustível devem ser filtrados, evitando a poluição da atmosfera local; a água aquecida precisa ser resfriada ao ser devolvida para os rios porque várias espécies aquáticas não resistem a altas temperaturas. No Brasil este é o segundo tipo de fonte de energia elétrica que está sendo utilizado, e agora, com a crise que estamos vivendo, é a que mais tende a se expandir.


64

4.3 – Energia nuclear.

Este tipo de energia é obtido a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia. 4.3.1 – A física da fissão nuclear. O método que as usinas nucleares utilizam para obter energia elétrica é chamado de fissão nuclear e consiste na quebra de átomos grandes em menores. Apesar de ser um processo físico extremamente complexo com inúmeras variáveis ele pode ser explicado e assimilado facilmente. A fissão de núcleos atômicos ocorre devido ao lançamento de um nêutron em alta velocidade no átomo, ou seja, partículas chamadas nêutrons são lançadas na direção de um átomo e o nêutron se funde ao núcleo deste átomo causando um desequilíbrio no átomo. Esse desequilíbrio causado pelo nêutron faz com que o núcleo do átomo, agora totalmente instável e incapaz de continuar coeso, se separe formando outros dois átomos e liberando outros nêutrons.

Figura 55 –Processo de fissão nuclear. A liberação destes novos nêutrons devido a fissão do primeiro núcleo atômico cria uma reação em cadeia na qual cada átomo fissurado possibilita a fissura de outros dois átomos, que por sua vez serão responsáveis pela fissura de mais dois átomos. A reação continua até que todo material físsil seja fissurado incapacitando os nêutrons livres de criar novas fissões nucleares.

4.3.2 – Criando material fissionável: o enriquecimento de urânio Agora que já sabemos como os princípios da fissão nuclear funcionam precisamos encontrar o material certo para isso. Nem todos os átomos da natureza são capazes de sofrer uma fissão nuclear induzida (urânio-238). No planeta Terra o elemento químico urânio é comum, porém o tipo de urânio que pode sofrer uma fissão induzida é bastante raro (urânio-235). Estima-se que para cada 1.000 átomos de urânio apenas 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238. Faz-se necessário então criar um processo que, de alguma forma, transforme os átomos de urânio-238 em urânio-235 e este é o chamado enriquecimento de urânio. Então se um tablete de urânio que sofreu transformações físicas para aumentar a taxa de urânio-235 é chamado de urânio enriquecido.


65

Figura 56 – Pastilha de Urânio. Antes de se enriquecer o urânio é necessário retira-lo da natureza. Caminhões trazem das minas de escavação o mineral bruto cuja porcentagem de urânio é inferior a 0,5%. O urânio, em estado sólido, é separado dos demais minerais e transformado em gás através de reações químicas e recebe o nome de hexafluorido de urânio. Esse composto gasoso, agora, sofrerá um processo no qual o resultado será a separação dos átomos de urânio-235 dos átomos de urânio-238. Este método pode ser a difusão gasosa ou a ultracentrifugação. No término do processo haverá quantidades mais concentradas de urânio-235 na quantidade exata requerida.

4.3.3 – Produzindo energia elétrica na usina nuclear.

As usinas nucleares utilizam o princípio da fissão nuclear para gerar calor. Dentro do Reator Nuclear, centenas de varetas contendo material radioativo são fissionadas, liberando muito calor. Este calor irá aquecer a água (totalmente pura) que fica dentro do reator. Ela pode chegar á incríveis 1500°C a uma pressão de 157atm. Essa água quente irá seguir por tubos, até o vaporizador, depois volta ao reator, completando o circuito primário. No vaporizador, outra quantidade de água será fervida, pelo calor de tubos onde passam a água extremamente quente do reator. O vapor gerado sairá por canos, até onde ficam localizadas as turbinas e o gerador elétrico. O vapor d'água pode girar as pás das turbinas a uma velocidade de 1800rpm. Depois que o vapor executar sua função, ele segue para o condensador, onde vai virar água novamente e retornar ao vaporizador. Este é o chamado circuito secundário. Para que o condensador transforme o vapor do circuito secundário em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria. Essa água fria pode vir de rios e lagos próximos. Ao passar pelo condensador, esta água fica quente, necessitando ser resfriada nas torres de resfriamento (a maior parte de uma usina nuclear). Este é o circuito terciário (ou sistema de água de refrigeração).


66

Figura 57 – Usina Nuclear. 4.3.4 – As vantagens e desvantagens da usina nuclear.

Apesar da possibilidade de acidentes ao longo da vida de uma usina nuclear é comprovada a eficácia destas estruturas em desempenhar sua função e produzirem energia de forma muito mais limpa. Uma das principais vantagens que podem ser citadas é a quantidade de urânio-235, necessária para produzir energia. Apenas 10g de urânio podem ser suficientes para produzir a mesma quantidade de energia que 700 kg de petróleo e 1200 kg de carvão (Figura 58). A eficiência das usinas nucleares é fantástica comparando-a com a eficiência de uma usina termoelétrica, por exemplo. As usinas nucleares não lançam gases estufa no planeta, logo elas não contribuem para o aquecimento global. É uma forma muito mais limpa de produzir energia elétrica.

Figura 58 – 10 gramas de Urânio produzem a mesma energia que 700kg de óleo ou 1200kg de carvão.


67

Em relação às desvantagens de uma usina nuclear podemos citar alguns itens. Um dos

principais problemas que uma usina nuclear pode causar é o lixo radioativo. Esse material é resultado da fissão nuclear e por ser radioativo não pode ser deixado exposto uma vez que essa radiação causaria problemas para a fauna e flora da região em que o material se encontra. O lixo radioativo de uma usina nuclear pode demorar centenas de anos para perder suas propriedades radioativas, todavia não são uma ameaça maior que os dejetos produzidos por outros tipos de usinas, uma vez que o material radioativo só precisa ser armazenado em lugares protegidos sem jamais causar qualquer tipo de problema. Enquanto as usinas nucleares apresentam como subproduto apenas o material radioativo que só precisa ser armazenado de forma devida, usinas como termoelétricas produzem como subprodutos dióxido de carbono e outros gases que são acusados de acelerar o aquecimento global.

Existe ainda um fator de risco, muito mais evidente, que é a possibilidade de explosão de uma usina nuclear. Como vimos, os processos de fissão resultam em um aquecimento considerável do urânio. Esse aquecimento, se não for controlado, pode causar a fusão do reator e originar um acidente nuclear de grandes proporções. Esse tipo de acidente nuclear é problemático, pois a radiação do urânio iria ser levada pelos ventos da atmosfera e se espalhar por uma grande área, afetando diversos seres. E este é o grande risco de se ter uma usina nuclear, a possível ruptura da usina e liberação de material radioativo. Apesar de sempre existir a possibilidade do vazamento da radiação isso é extremamente improvável. De fato, durante toda a história das usinas nucleares o único acidente que ocorreu devido à falha humana foi o de Chernobyl em 1986. Graças aos rígidos protocolos de segurança que essas usinas são obrigadas a seguir as chances de uma usina explodir são realmente muito pequenas.


68

4.4 – Energia geotérmica.

Energia geotérmica é a energia produzida de rochas derretidas no subsolo (magma) que aquecem a água no subsolo. Na Islândia, que é um país localizado muito ao Norte, próximo do Círculo Polar Ártico, com vulcanismo intenso, onde a água quente e o vapor afloram à superfície ou se encontram em pequena profundidade, tem uma grande quantidade de energia geotérmica aproveitável e a energia elétrica é gerada a partir desta.

As usinas elétricas aproveitam esta energia para produzir água quente e vapor. O vapor aciona as turbinas que geram quase 3 000 000 joules de energia elétrica por segundo e a água quente percorre tubulações até chegar às casas. Nos Estados Unidos da América há usinas deste tipo na Califórnia e em Nevada. Em El Salvador, 30% da energia elétrica consumida provém da energia geotérmica.

Figura 59 – Usina geotérmica.


69

4.5 – Energia eólica.

Os moinhos de ventos são velhos conhecidos nossos, e usam a energia dos ventos, isto é, eólica, não para gerar eletricidade, mas para realizar trabalho, como bombear água e moer grãos. Na Pérsia, no século V, já eram utilizados moinhos de vento para bombear água para irrigação.

A energia eólica é produzida pela transformação da energia cinética dos ventos em energia elétrica. A conversão de energia é realizada através de um aerogerador que consiste num gerador elétrico acoplado a um eixo que gira através da incidência do vento nas pás da turbina.

A turbina eólica horizontal (a vertical não é mais usada) é formada essencialmente por um conjunto de duas ou três pás, com perfis aerodinâmicos eficientes, impulsionadas por forças predominantemente de sustentação, acionando geradores que operam a velocidade variável, para garantir uma alta eficiência de conversão (fig. 58). A instalação de turbinas eólicas tem interesse em locais em que a velocidade média anual dos ventos seja superior a 3,6 m/s.

Existem atualmente, mais de 20 000 turbinas eólicas de grande porte em operação no mundo (principalmente nos Estados Unidos). Na Europa, espera-se gerar 10 % da energia elétrica a partir da eólica, até o ano de 2030.

O Brasil produz e exporta equipamentos para usinas eólicas, mas elas ainda são pouco usadas. Aqui se destacam as Usinas do Camelinho (1MW, em MG), de Mucuripe (1,2MW) e da Prainha (10MW) no Ceará, e a de Fernando de Noronha em Pernambuco.

Figura 60 – Geração de energia eólica.


70

4.6 – Energia das marés. A energia das marés é obtida de modo semelhante ao da energia hidrelétrica. Constrói-se uma barragem, formando-se um reservatório junto ao mar. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando através da turbina e produzindo energia elétrica, e na maré baixa o reservatório é esvaziado e água que sai do reservatório, passa novamente através da turbina, em sentido contrário, produzindo energia elétrica (fig. 59). Este tipo de fonte é também usado no Japão e Inglaterra.

No Brasil temos grande amplitude de marés, por exemplo, em São Luís, na Baia de São Marcos (6,8m), mas a topografia do litoral inviabiliza economicamente a construção de reservatórios.

Figura 61 – Geração de energia através do movimento das mares.

4.7 – Energia fotovoltaica. A energia fotovoltaica é fornecida de painéis contendo células fotovoltaicas ou solares que sob a incidência do sol geram energia elétrica. A energia gerada pelos painéis é armazenada em bancos de bateria, para que seja usada em período de baixa radiação e durante a noite (fig. 60). A conversão direta de energia solar em energia elétrica é realizada nas células solares através do efeito fotovoltaico, que consiste na geração de uma diferença de potencial elétrico através da radiação. O efeito fotovoltaico ocorre quando fótons (energia que o sol carrega) incidem sobre átomos (no caso átomos de silício), provocando a emissão de elétrons, gerando corrente elétrica. Este processo não depende da quantidade de calor, pelo contrário, o rendimento da célula solar cai quando sua temperatura aumenta. O uso de painéis fotovoltaicos para conversão de energia solar em elétrica é viável para pequenas instalações, em regiões remotas ou de difícil acesso. É muito utilizada para a alimentação de dispositivos eletrônicos existentes em foguetes, satélites e astronaves. O sistema de co-geração fotovoltaica também é uma solução; uma fonte de energia fotovoltaica é conectada em paralelo com uma fonte local de eletricidade.


71

Este sistema de co-geração voltaica está sendo implantado na Holanda em um

complexo residencial de 5000 casas, sendo de 1 MW a capacidade de geração de energia fotovoltaica. Os Estados Unidos, Japão e Alemanha têm indicativos em promover a utilização de energia fotovoltaica em centros urbanos. Na Cidade Universitária - USP - São Paulo, há um prédio que utiliza este tipo de fonte de energia elétrica. No Brasil já é usado, em uma escala significativa, o coletor solar que utiliza a energia solar para aquecer a água e não para gerar energia elétrica.

Figura 62 - Painel solar fotovoltaico que usado para sustentar telefone celular público em local isolado na Austrália. 4.8 – Energia Química. Uma pilha química voltaica numa combinação de materiais que são utilizados porá converter energia química em energia elétrica. Uma bateria é constituída pela ligação de duas ou mais pilhas. Uma reação química produz cargas opostas em dois metais diferentes, que servem como terminais negativos e positivos (figura 63). Os metais estão em contato com um eletrólito.

Figura 63 – A pilha química voltaica é capaz de gerar energia através de reação química.


72

5 – Máquinas de Corrente Contínua. 5.1 – Introdução: Um motor é uma máquina que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. Os motores são os responsáveis pelo funcionamento das máquinas de lavar, das secadoras de roupa, dos ventiladores, dos condicionadores de ar e da maioria das máquinas encontradas na industria. O gerador por sua vez, é uma máquina que converte energia mecânica de rotação em energia elétrica. A energia mecânica pode ser fornecida por uma queda d’água, vapor, vento, motor à gasolina, óleo diesel ou motor elétrico. 5.2 – Componentes da Máquina de Corrente Contínua. As partes principais dos motores e geradores de corrente contínua são basicamente as mesmas.

Figura 64 – Vista de um corte de um gerador cc.


73

Rotor

Parte girante, montada sobre o eixo da máquina, construído de um material

ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. O rotor gira por efeito de uma força mecânica externa. A tensão gerada na armadura é então ligada a um circuito externo, ou seja, o rotor do gerador libera corrente para o circuito externo. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia.

Figura 65 – Rotor de uma maquina de corrente contínua.

Partes do Rotor

Núcleo Magnético: é constituído de um pacote de chapas de aço magnético

laminadas, com ranhuras axiais para alojar o enrolamento da armadura; Enrolamento da Armadura: é composto de um grande número de espiras em série

ligadas ao comutador. O giro da armadura faz com que seja induzida uma tensão neste enrolamento

Comutador: é constituído de lâminas de cobre (lamelas) isoladas umas das outras por meio de lâminas de mica (material isolante). Tem por função transformar a tensão alternada induzida numa tensão contínua.

Eixo: é o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor a uma carga a ele acoplada.


74

Anel Comutador

Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento do rotor, constituído de um anel de material condutor, segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. O anel é montado junto ao eixo da máquina e gira junto com o mesmo. O movimento de rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos.

Figura 66 – Comutador de um gerador cc.

Estator

Parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Também é constituído de material ferromagnético, envolto em um enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo do rotor. A fonte de corrente de campo pode ser uma fonte separada, chamada de excitador, ou proveniente do própio rotor.

Figura 67 - Estator de um gerador de corrente contínua.


75

Escovas

São conectores de grafita fixos, montados sobre molas que permitem que eles deslizem (ou "escovem“) sobre o comutador no eixo do rotor. Assim, as escovas servem de contato entre os enrolamentos da armadura e a carga externa.

Figura 68 – Escovas de grafite e carvão para gerador


76

5.3 – Gerador de Corrente Contínua. Gerador de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica ou energia elétrica em mecânica (motor).

A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada, porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que, são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrônicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicação estão substituindo os motores de corrente contínua na maior parte das aplicações.

O termo "gerador elétrico" se reserva apenas para as máquinas que convertem a energia mecânica em elétrica. Conforme as características da corrente elétrica que produzem, os geradores podem ser de corrente contínua (dínamos) e alternada (alternadores). Além disso, quando se trata de um gerador de corrente continua, os mesmos princípios que formam a base de operação de maquina de corrente alternada e de corrente continua são governadas pelas mesmas leis fundamentais. Desta forma no calculo do torque desenvolvido por um dispositivo eletromecânico se aplica tanto para geradores CA, quanto para CC. À única diferença entre ambos são os detalhes de construção mecânica, isto também se aplica para força eletromotriz no rotor. Portanto as maquinas CA não são fundamentalmente diferente das CC, ou seja, diferem somente em detalhes construtivos. Logo para que um gerador seja CC é necessário que haja uma força eletromotriz para assim produzir um campo magnético e em seguida gerar uma corrente que ao passar pelo anel comutador gere uma corrente continua.

Figura 69 – Gerador simples.


77

5.3.1 - Princípios de Funcionamento de um gerador de corrente contínua

Quando se trata de um gerador, a energia mecânica é suprida pela aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina, uma fonte de energia mecânica pode ser, por exemplo, uma turbina hidráulica, uma turbina eólica, etc. A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor. A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual à variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no interior de um solenoide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto ou o solenóide movam-se, consumindo energia mecânica. Por esse motivo que um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético. A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi à direção da força eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera. Se o campo magnético concatenado ao circuito está diminuindo, o campo magnético gerado pela corrente induzida irá à mesma direção do campo original (se opõem a diminuição), se, pelo contrário, o campo magnético concatenado está aumentando, o campo magnético gerado irá em direção oposta ao original (se opõem ao aumento).

Eemf = -N

Eemf - força eletromotriz;

N – numero de espiras;

– variação do fluxo.


78

Figura 70: Posição do Plano da Bobina de Fio, relativamente à Direção do Campo Magnético, e a correspondente Força Eletromotriz Induzida.

Desta forma, a energia mecânica fornecida ao eixo, é armazenada no campo magnético da máquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina.

Como o corpo do estator é constituído de materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo da máquina temos uma intensificação dos campos magnéticos no mesmo e, portanto, a produção de pólos magnéticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extensão do estator.

Quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura.

A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro.

Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido.

Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina.


79

Figura 71 – Princípio do funcionamento do gerador de corrente contínua.

Verificando as variações da FEM induzida na espira, vemos que se a carga do gerador for puramente resistiva, a corrente que nela circula sofre variação idêntica. A polaridade da Fem induzidado gerador se mantem constante, mas o seu valor é variável o que faz com que a corrente que circula por uma carga resistiva seja contínua, porém pulsativa. Um gerador de corrente contínua desse tipo não tem muitas aplicações práticas, pois o que se pretende na grande maioria dos casos é que a tensão gerada tenha polaridade constante e que seu valor seja pelo menos aproximadamente constante. A solução do problema é bastante simples, consistindo no acrécimo de novas espiras. Se por exemplo colocarmos uma espira fazendo 90º com primeira dividindo o anel coletor em quatro comutadores quando a FEM induzida em uma delas for nula na outra será máxima, dando origem a quatro valores máximos por ciclo. Na prática o numero de lâminas do comutador geralmente superior a 30, podendo chegar até mesmo a 80 ou 100, dependendo da classe de tensão da máquina. É bom lembrar que em tensões da ordem de 380V e 440V caso o número de lâminas seja pequeno, ocorrem diferenças de potencial entre llâminas adjacentes e um grande centelhamento contínuo, conhecido por “anel de fogo”, que acaba por fundir as lâminas do comutador. Daí a necessidade de um grande número de lâminas.


80

5.3.2 - Excitações do campo magnético.

Os Geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de campo

utilizado. Quando o campo do gerador é fornecido ou "excitado" por uma fonte cc separada, como por exemplo, uma bateria, ele é chamado de gerador de excitação separada. Quando o gerador fornece a sua própria excitação, ele é chamado de gerador auto-excitado. Se o seu campo estiver ligado em paralelo com o circuito da armadura, ele é chamado de gerador em derivação. Quando o campo está em série com a armadura, o gerador é chamado de gerador série. Se forem usados os dois campos, derivação e série, o gerador é chamado de gerador composto. Os geradores compostos podem ser ligados em derivação curta com o campo de derivação em paralelo somente com a armadura, ou formando uma derivação longa, com o campo de derivação em paralelo com a armadura e com o campo série. Quando o campo série está ligado dessa forma, de modo que seus ampères-espira ajam no mesmo sentido que os do campo em derivação, diz-se que o gerador do composto-acumulativo. Os reostatos de campo são resistências ajustáveis colocadas nos circuitos de campo para variar o fluxo do campo e, portanto a fem gerada pelo gerador.

O gerador composto é muito mais usado do que os outros tipos de geradores, porque ele pode ser projetado de modo a oferecer uma ampla variedade de características.

Figura 72 – Diagrama de circuito com gerador excitado separadamente.

Figura 73 – Diagrama de circuitos geradores de excitação série.


81

Figura 74 – Diagrama de circuitos geradores de excitação em derivação.

Figura 75 – Diagrama de circuitos geradores de excitação composta.


82

5.3.3 – Tipos de geradores CC. Os Geradores CC recebem seus nomes de acordo com o tipo de excitação de campo utilizado. Vejamos os tipos de geradores existentes. 1) Gerador de excitação separada. Quando o campo do gerador e fornecido ou excitado por uma fonte cc separada, por exemplo, uma bateria ele é chamado de gerador de excitação separada. A corrente de excitação não varia o seu valor em função da carga ligada ao gerador. Aplicação. Tacógrafo – Tensão proporcional à velocidade de rotação. Amplificador (ampli-dínamo) – Entrada com a tensão de excitação e saída tensão do gerador. Diagrama do circuito.

Figura 76 – Diagrama de circuitos geradores de excitação separada.


83

2) Gerador Auto-excitado Paralelo ou série.(são 2 tipos). A fem cresce até estabilizar limitada pela saturação magnética e pelo valor do reostato de campo. Obtém-se o controle da tensão de saída do gerador por regulação do reostato de campo. a) Gerador de Derivação ou Paralelo (shunt). Se o campo estiver ligado em paralelo com o circuito da armadura, ele é chamado de gerador em derivação. Num gerador paralelo a tensão nos terminais cai mais rapidamente que num gerador de excitação independente. A medida que a carga cresce a tensão diminui e a corrente de excitação decresce em decorrência do aumento da carga. Diagrama do circuito:

Figura 77 – Diagrama de circuitos geradores auto-excitado paralelo.

Obs: Para o gerador operar deve existir um fluxo residual no ferro do circuito magnético do estator (bobina de campo).


84

b) Quando o campo está em série com a armadura, ele é chamado de gerador série. A bobina do campo são montadas com poucas espirar e com fio grosso para suportar a corrente da carga. É preciso notar que neste gerador a corrente de carga é a própria corrente de excitação. No trabalho em vazio a fem é gerada apenas pelo magnetismo residual das sapatas polares. Ao acrescentar carga ao gerador, uma corrente circula pela carga e pela bobina de exci5tação, fazendo com que aumente o fluxo indutor e conseqüentemente a tensão gerada. Ao elevar-se a tensão, a corrente aumenta e, conseqüentemente, aumenta também o fluxo indutor. Isso se repete até que se verifique a saturação magnética, quando a tensão se estabiliza. Antes da saturação magnética, a tensão pode alcançar valores perigosos. Para evitar que a tensão se eleve, quando se acrescenta uma carga ao circuito, coloca-se um reostato em paralelo com a excitação. Diagrama do circuito.

Figura 78 – Diagrama de circuitos geradores auto-excitado série.


85

3) Gerador Composto ou Misto (Compound-combinação).

Se forem usados os dois campos, derivação e série, o gerador é chamado de composto ou misto. Os geradores compostos podem ser ligados em derivação curta ou derivação longa. O gerador composto é similar ao shunt, mas compensa a queda de tensão interna com a utilização de um indutor série. O indutor série é composto de fio grosso, dado que vai ser percorrido pela corrente que alimenta a carga. O gerador composto é o mais usado. a) Gerador composto em derivação curta. O campo de derivação está em paralelo somente com a armadura (bobina do rotor). Diagrama do circuito.

Figura 79 – Diagrama de circuitos geradores composto com derivação curta.


86

b) Gerador composto em derivação longa. O campo de derivação está em paralelo com a armadura e com o campo série. Diagrama do circuito.

Figura 80 – Diagrama de circuitos geradores composto com derivação longa.


87

5.3.4 – Circuito equivalente do Gerador CC.

As relações entre Tensão e Corrente num circuito equivalente de um gerador e de acordo com a lei de Ohm.

Figura 81 – Circuito de um gerador cc.

Onde:

As equações abaixo são escritas para determinar respectivamente: Equação 6.1 e para calcular a tensão na armadura, Equação 6.2 a tensão no terminal do gerador, Equação 6.3 para determinar e corrente na linha, Vta = Vg - Iara Vt = Vg - Ia(ra + rs) IL = Ia - Id Vta = tensão no terminal da armadura, V Vg = tensão gerada na armadura, V Ia = corrente da armadura, A Vt = tensão no terminal do gerador, V ra = resistência do circuito da armadura, Ω rs = resistência do campo série Ω rd = resistência do campo em derivação Ω IL = corrente na linha, A Id = corrente do campo em derivação, A


88

5.3.5 – Equações da tensão no gerador e regulação de tensão

A tensão média Vg gerada por um gerador pode ser calculada através da fórmula descrita abaixo:

Onde: Vg = tensão média gerada por um gerador cc, V p = número de pólos Z = número total de condutores da armadura (também chamado de indutores) Φ = fluxo por pólo n = velocidade da armadura, rpm b = número de percursos paralelos através da armadura, dependendo do tipo de enrolamento da armadura.

Para qualquer gerador todos os fatores são fixos exceto Φ e n então a equação acima resume a:

Onde:

Onde este revela o valor de uma fem induzida em qualquer circuito e proporcional à

razão com que o fluxo está sendo interceptado. Assim se Φ duplicar e n permanecer o mesmo Vg também é duplicado. Analogicamente, se n dobrar o valor, permanecendo Φ constante Vg dobra.

A regulação de tensão de um gerador é a diferença entre a tensão do terminal sem

carga (SC) e com carga máxima (CM) e é expressa como uma porcentagem do valor de carga máxima.

Regulação de tensão = tensão SC – tensão com CM tensão com CM

Uma regulação com baixa porcentagem, característica de circuito de iluminação,

significa que a tensão no terminal do gerador e praticamente a mesma com carga máxima ou quando está sem carga.


89

5.3.6 – Perdas e eficiências de um Gerador CC.

As perdas nos geradores e motores consistem nas perdas no cobre dos circuitos elétricos e nas perdas mecânicas devidas á rotação da máquina. As perdas incluem: 1 – Perdas no cobre Perdas I2R na armadura Perdas de campo

(1) I2R do campo em derivação (2) I2R do campo em série

2 - Perdas mecânicas ou rotacionais (a) Perdas no ferro

(1) Perdas por correntes parasitas (2) Perdas por histerese

(b) Perdas por atrito (1) Atrito no mancal (rolamento) (2) Atrito nas escovas

(3) Perdas por vento ou atrito com o ar As perdas no cobre estão presentes, porque é consumida urna certa potência quando

se faz passar uma corrente através de uma resistência. À medida que o rotor gira no campo magnético, a fem induzida nas partes de ferro permite a passagem de correntes parasitas ou de Foucault, que aquecem o ferro representando assim um desperdício de energia. As perdas por histerese ocorrem quando um material magnético é magnetizado inicialmente num sentido e em seguida no sentido oposto. Outras perdas rotacionais são produzidas pelo atrito de rolamento no mancal, pelo atrito das escovas apoiadas sobre o comutador e pelo atrito com o ar.

A eficiência é a razão entre a potência útil na saída e a potência total na entrada. Eficiência = saída entrada Eficiência = entradas – perdas = saída entradas saída + perdas

A eficiência e geralmente expressa na forma de porcentagem da seguinte forma:

Eficiência(%) = saída x 100 entrada


90

5.4 – Motor de Corrente Contínua.

Observando a figura abaixo podemos entender como uma força é gerada em uma espira no enrolamento do rotor.

Figura 82 – Força gerada em uma espira no enrolamento do rotor.

Numa bobina retangular formada por uma única espira paralela a um campo magnético, o sentido da corrente no condutor da esquerda é no sentido do terminal negativo do anel coletor, enquanto no condutor do lado direito a corrente tem o sentido saindo do terminal positivo do anel coletor. Portanto, o condutor da esquerda tende a se deslocar para cima com a força F, e o condutor do lado direito tende a se deslocar para baixo com uma força igual a F’. As duas forças agem de modo a produzir um torque que faz a bobina girar no sentido horário. Um motor usa um grande número de bobinas para melhorar a sua eficiência.


91

5.5 – Introdução.

As máquinas de corrente contínua podem ser utilizadas tanto como motor quanto

como gerador. Porém, uma vez que as fontes retificadoras de potência podem gerar tensão contínua de maneira controlada a partir da rede alternada, pode-se considerar que, atualmente, a operação como gerador fica limitada aos instantes de frenagem e reversão de um motor.

Atualmente, o desenvolvimento das técnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econômica têm favorecido a substituição dos motores de corrente contínua (CC) pelos motores de indução acionados por inversores de freqüência. Apesar disso, devido às suas características e vantagens, o motor CC ainda se mostra a melhor opção em inúmeras aplicações, tais como: · Máquinas de Papel · Bobinadeiras e desbobinadeiras · Laminadores · Máquinas de Impressão · Extrusoras · Prensas · Elevadores · Movimentação e Elevação de Cargas · Moinhos de rolos · Indústria de Borracha · Mesa de testes de motores

A figura a seguir mostra um motor de corrente contínua em corte.

Figura 83 – Vista em corte de um motor de corrente contínua.


92

5.6 – Aspectos Construtivos

O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas: · Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente); · Rotor (enrolamento de armadura).

O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. A figura 84 mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos com enrolamento de campo.

Figura 84 – (a) desenho, (b) foto. Motor CC de dois pólos.

O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua

superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação (figura 84). Esse sistema é formado por um comutador, solidário ao eixo do rotor, que possui uma

superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. O propósito do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção.

Os enrolamentos do rotor compreendem bobinas de n espiras. Os dois lados de cada enrolamento são inseridos em sulcos com espaçamento igual ao da distância entre dois pólos do estator, de modo que quando os condutores de um lado estão sob o pólo norte, os condutores do outro devem estar sob o pólo sul. As bobinas são conectadas em série através das lâminas do comutador, com o fim da última conectado ao início da primeira, de modo que o enrolamento não tenha um ponto específico.


93

Figura 85 – Sistema de Comutação. 5.7 – Princípio de Funcionamento.

A figura 86 mostra, de maneira simplificada, o funcionamento do motor CC de dois pólos.

Figura 86 – Princípio de Funcionamento do motor cc.


94

A figura 86 é um desenho esquemático simples de um motor onde o estator é

constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura 86.

Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-horário. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b).

Esse torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) – a bobina girou de 90o – não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Devido à inércia do rotor e como a bobina já apresenta um momento angular “para a esquerda”, ela continua girando no sentido anti-horário (semelhante a uma “inércia de rotação”) e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.

Mesmo após a bobina ter sido girada de 180o, situação não ilustrada na figura, o movimento continua, a bobina chega na “vertical” – giro de 270o –, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, há um novo torque e a bobina chega novamente à situação (a) – giro de 360o. E o ciclo se repete.

Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar. A inversão do sentido da corrente (comutação), no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques ”favoráveis”, os quais garantem o funcionamento dos motores.

A comutação consiste na mudança de uma lâmina do comutador, onde as bobinas são ligadas em série, para a próxima. Durante esta comutação a bobina é momentaneamente curto-circuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar energia a armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto. Porém, como essa inversão de corrente não é instantânea, uma força eletromotriz é induzida na espira (- La.dia/dT), o que origina uma corrente de curto-circuito que circula no coletor, nas espiras e nas escovas. Após o curto-circuito, a interrupção dessa corrente dá origem ao aparecimento de faíscas nos contatos das escovas com o coletor, que podem gerar arcos elétricos perigosos e que danificam o coletor, tendo portanto que ser eliminadas. A fim de eliminar as faíscas, torna-se necessário induzir na espira, durante o curto-circuito, uma força eletromotriz que anule a resultante do processo de comutação, conseguido através dos pólos de comutação de menores dimensões e situados sobre a linha neutra e percorridos pela mesma corrente do rotor. No entanto estes pólos, além de anularem o fenômeno da comutação, enfraquecem o fluxo do estator – fenômeno chamado de “reação magnética do rotor”. Nas máquinas de grandes dimensões esse fenômeno é eliminado através dos enrolamentos de compensação que, ligados em série com o rotor e colocados na periferia dos pólos do estator, geram um fluxo com a mesma intensidade e sentido contrário do fluxo de reação, anulando-o.

A figura 87 mostra um desenho esquemático bastante simplificado de um motor CC com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.


95

Figura 87 – Comutador e escovas do motor cc. Em sua forma mais simples, o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas

e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica “chega” por uma das escovas (+), “entra” pela placa do comutador, “passa” pela bobina do rotor, “sai” pela outra placa do comutador e “retorna” à fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação.

5.8 – Controle de Velocidade e conjugado nos Motores CC. O modelo do circuito elétrico do motor CC é ilustrado na figura 88.

Figura 88 – Modelo do circuito elétrico do motor cc.


96

A Lei de Kirchhoff aplicada ao circuito de armadura resulta em: Ua = Ra . Ia + E Onde: Ua = Tensão de armadura Ra = Resistência da armadura Ia = Corrente de armadura E = Força Eletromotriz induzida ou Força Contra-Eletromotriz da armadura Pela Lei da Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida é proporcional ao fluxo e à rotação, ou seja: E = K1 . Ø . n Combinando as equações, a expressão para a velocidade do motor CC é dada por:

Onde: n = velocidade de rotação k1 = constante que depende do tamanho do rotor, do número de pólos do rotor, e como essas pólos são interconectados. Ø = fluxo no entreferro Admitindo-se que a queda de tensão na armadura é pequena, ou seja, Ra.Ia=0, a expressão se reduz a:

Portanto, a velocidade é diretamente proporcional à tensão de armadura, e

inversamente proporcional ao fluxo no entreferro. O controle da velocidade, até a velocidade nominal, é feito através da variação

da tensão de armadura do motor, mantendo-se o fluxo constante. Velocidades superiores à nominal podem ser conseguidas pela diminuição do

fluxo, mantendo-se a tensão de armadura constante.


97

Sabendo que o fluxo é proporcional à corrente de campo, ou seja: Ø = K2 . If

Onde: k2 = constante If = corrente de campo Tais velocidades são atingidas através da diminuição da corrente de campo, mantendo-se a tensão de armadura constante. O conjugado do motor é dado por: C = K3 . Ia . Ø Onde: C = conjugado eletromagnético do motor k3 = constante

Como dito anteriormente, o controle de velocidade, até à rotação nominal é feito através da variação da tensão da armadura, mantendo-se o fluxo constante. Dessa forma, observando-se que na equação do conjugado a corrente de armadura se eleva transitoriamente, de forma apreciável, de modo a produzir o conjugado total requerido pela carga, mais o conjugado necessário para a aceleração.

O conjugado acelerador incrementa a velocidade da máquina e, de acordo com a força eletromotriz induzida no motor também aumenta. Assim, quando a corrente transitória cai até um ponto de equilíbrio, que corresponde à manutenção do torque exigido pela carga. Esse ponto de equilíbrio é definido pelo valor da tensão de armadura aplicado e pela queda de tensão na resistência de armadura. Se o conjugado requerido pela carga for constante, o motor tenderá a supri-lo, sempre absorvendo uma corrente de armadura também praticamente constante. Somente durante as acelerações provocadas pelo aumento da tensão, que transitoriamente a corrente se eleva para provocar a aceleração da máquina, retornando após isso, ao seu valor original. Portanto, em regime, o motor CC opera a corrente de armadura essencialmente constante também. O nível dessa corrente é determinado pela carga no eixo. Assim, no modo de variação pela tensão de armadura, até a rotação nominal, o motor tem a disponibilidade de acionar a carga exercendo um torque constante em qualquer rotação de regime estabelecida, como mostra a figura 89, que representa as curvas características dos motores CC. Esse torque pode ser qualquer, até o limite do valor nominal, que corresponde a uma corrente de armadura nominal, definida por aspectos térmicos de dimensionamento do motor.


98

Figura 89 – Curva característica de um motor cc. O controle da velocidade após a rotação nominal é feito variando-se o fluxo e

mantendo a tensão de armadura constante e, por isso, chama-se zona de enfraquecimento de campo. Para se aumentar a velocidade, deve-se reduzir o fluxo, existindo entre ambos, uma relação hiperbólica. Ainda, combinando as equações poderemos chegar a:

Portanto, acima da rotação nominal, como tensão e corrente de armadura são constantes, o conjugado é inversamente proporcional à rotação, como também pode ser visto na figura 89.


99

5.9 – Tipos de Excitação. As características dos motores de corrente contínua são profundamente afetadas pelo tipo de excitação prevista. A figura 90 apresenta os diferentes tipos de excitação e suas respectivas características.

Figura 90 – Tipos de excitação dos motores cc.


100

5.10 – Vantagens e desvantagens dos acionamentos em corrente contínua. Dependendo da aplicação, os acionamentos em corrente contínua são geralmente os que apresentam os maiores benefícios, também em termos de confiabilidade, operação amigável e dinâmica de controle. Por outro lado, esse tipo de acionamento apresenta algumas desvantagens. Vantagens · Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos · Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações · Alto torque na partida e em baixas rotações · Ampla variação de velocidade · Facilidade em controlar a velocidade · Os conversores CA/CC requerem menos espaço · Confiabilidade · Flexibilidade (vários tipos de excitação) · Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC Desvantagens · Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de indução, para uma mesma potência · Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores) · Arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos) · Tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de corrente alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus terminais. · Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas.


101

Bibliografia Guedes, Manuel Vaz – Sistemas geradores de energia elétrica. Wikipédia Máquina de corrente contínua Motor elétrico Gerador Gerador de Corrente Contínua <http://www.ebah.com.br/gerado-de-corrente-continua-docx-a54374.html> Máquinas Elétricas <http://www.faatesp.edu.br/publicacoes/maquina_CC.pdf> Máquina de Corrente Contínua <http://pt.wikipedia.org/wiki/maquina_de_corrente_continua> Máquina de Corrente Contínua < http://www.dsee.fee.unicamp.br/> Máquina de Corrente Contínua < http:// //www.feiradeciencias.com.br/> VINCENT, Del Toro. Fundamentos de maquinas elétricas, New Jersey Prentice-hall, 1990. Gerador Elementar de Corrente Contínua Manuscritos de Paulo Cesar Pfaltzgraff Ferreira, UNESA – 2010. Eletricidade Básica - Milton Gussow - Makron Books Máquinas elétricas - Edson Bin – UNICAMP Máquinas Elétricas – Fitzgerald - BOOKMAN Motores de Corrente Contínua – Apostila SIEMENS

Apostila conversão eletromecânica de energia

Science

Transcript of Apostila conversão eletromecânica de energia