Apostila-de-Eletrotecnica

Apostila de Eletrotécnica

A – CONCEITOS ELEMENTARES:

Os dispositivos de Conversão de Energia se fundamenta, na atualidade, em princípios originados, principalmente, no acoplamento eletromagnético. Em vista disso, apresentamos, de forma simplificada, alguns conceitos físicos, cujo conhecimento e visualização entendemos como indispensáveis para se começar a estudar Conversão.

B – CAMPO MAGNÉTICO: (Símbolo H) –

FH =

µβ=

O conjunto de linhas orientadas do Pólo Norte para o Pólo Sul do imã são mais serradas na vizinhança dos pólos e dispersam-se no espaço. Elas desenham o espectro magnético do imã. O conjunto destas linhas, ditas linhas de força, formam o campo magnético do imã.

Figura 1.1

Se colocarmos uma agulha imantada em diferentes pontos do campo do imã, ela tomará uma posição tangente a uma linha de força e, para cada ponto, ficará submetida a uma força que é proporcional às massas magnéticas e inversamente proporcional à distância.

Este valor do campo em um dado ponto, chama-se intensidade de campo magnético.

C – FLUXO MAGNÉTICO: (Símbolo φ) φ = µ.H.S = β.S

As linhas de força de uma imã saem do Pólo Norte, atravessam o espaço, em volta do imã e entram pelo Pólo Sul se fechando no interior do imã. (Figura 1.1).

Constatamos que as linhas de força vão:No Exterior: do Pólo Norte ao Pólo Sul.No Interior: do Pólo Sul ao Pólo Norte.

Podemos constatar que o número de linhas de força, que passam através do imã, depende da superfície dos pólos. Quanto maior for esta superfície, maior será o número de linhas de força.

Consideremos a figura 1.2. Entre seus dois pólos temos um campo magnético (H), formado por certo número de linhas de força. Tomemos, no interior deste campo (H) uma pequena seção de superfície S. Constatamos que ela é atravessada por um determinado número de linhas de força que formam o campo magnético. O fluxo magnético é dado por φ = µ.H.S.

Figura 1.2

D – INDUÇÃO MAGNÉTICA (Símbolo β) S

H.φ=µ=β

Retomemos a figura 1.2 e coloquemos no campo (H) uma peça de madeira de seção igual à superfície S.

As linhas de força do campo (H) não serão modificadas.Troquemos este pedaço de madeira por um pedaço de ferro de mesma seção.

Constatamos uma concentração das linhas de força que atravessam a seção do pedaço de ferro. Para caracterizar este fenômeno, definimos indução magnética como sendo:

S

φ=β

E – PERMEABILIDADE MAGNÉTICA (Símbolo µ)

Na experiência anterior, vimos que a concentração das linhas de força que atravessam a peça de ferro é maior do que as concentrações das que atravessam o pedaço de madeira. Deduzimos, portanto, que o ferro é mais permeável que a madeira à passagem de linhas de força.

F – RELUTÂNCIA: (Símbolo R)

Representa para o circuito magnético o que a resistência representa para o circuito elétrico. É, pois a oposição à passagem do fluxo magnético.

AR

µ=

G – FORÇA MAGNETOMOTRIZ: (Símbolo F) F = H. = Ni

É a força magnetizaste, de corrente elétrica, que produz o campo magnético.Sua unidade é “Ampére – Espiras”.

F = φ . R

H – FORÇA ELETROMOTRIZ: (Símbolo f.e.m.) (e)

É a pressão que causa a corrente Elétrica. Esta pressão quando criada por um gerador chama-se Força Eletromotriz (f.e.m.).

A diferença de pressão entre dois pontos, em um circuito, é chamada diferença de potencial, tensão ou voltagem do circuito.

I – INDUTÂNCIA: (Símbolo L)

Representa o coeficiente de proporcionalidade entre a intensidade de corrente que percorre um condutor e o fluxo magnético produzido.

iL

φ=

J – LEI DE FARADAY: (INDUÇÃO)

Desde que haja, no interior de um condutor, uma variação do fluxo magnético, ele será sede de uma força eletromotriz à variação do fluxo no tempo.

dt

de

φ±=

K – LEI DE LENZ

Dá o sentido da f.e.m. induzida pela Lei de Faraday. “O sentido da f.e.m. induzida é tal que, se aplicado a um circuito externo, dá

origem a uma corrente elétrica de sentido tal que o campo magnético por ela produzido, atua de modo a contrariar a causa primária, ou seja, a variação do fluxo”.

LEI DE AMPÉRE:

A integral de linha da componente tangencial de H sobre um percurso fechado é igual à corrente enlaçada por esse percurso.

∫ = int.IH.d

Lei de Ampére aplicada aos circuitos magnéticos ∫ ==⇒ NIFHd .

2 – FENÔMENOS FÍSICOS

A – Exposições das diversas partem de materiais componentes de diferentes transdutores eletromecânicos.

Neste laboratório teremos a oportunidade de, em primeiro lugar, tomarmos contato com diferentes componentes dos transdutores eletromecânicos.

Um transdutor eletromecânico, como sabemos, é um dispositivo que recebe energia na forma elétrica e converte para a forma mecânica ou vice-versa.

Para que ocorra essa conversa, se faz necessário um acoplamento entre os dois sistemas (elétrico e mecânico). Este acoplamento, na maioria das vezes é um acoplamento eletromagnético, mas temos também o acoplamento eletrostático.

Você deve, nesta oportunidade, verificar com atenção, todos os componentes disponíveis dos transdutores, isto o ajudará, em muito, a entender a sua constituição e funcionamento, fazendo com que o curso de Conversão de Energia seja menos teórico e mais gratificante.

A.1 – PROCEDIMENTOSVerificar, IN-LOCO, todos os componentes disponíveis no laboratório, argüindo

o professor sobre sua função.

B – VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DA LEI FARADAY (INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA)

De acordo com a equação de campo de Maxwell, um campo elétrico é induzido pela variação, no tempo, de um campo magnético. A Lei de Faraday, da indução eletromagnética, que historicamente precede a generalização de Maxwell, baseada em evidência experimentais, diz que uma força eletromotriz é induzida em um circuito elétrico, sempre que o fluxo magnético, que atravessa esse circuito, varia.

dt

de

λ=

B.1 – PROCEDIMENTOSB.1.1 – Os condutores de uma bobina não são ligados a nenhuma fonte elétrica. No entanto, uma corrente elétrica pode percorrê-los. Basta que sejam submetidos e uma variação de imantada. Verifique.

Figura

B.1.2 – As variações de imantação podem ser produzidas, entre outras coisas, pelo deslocamento de um eletroímã , cujo enrolamento é percorrido por uma corrente contínua...

B.1.3 - ... ou ainda, pela rotação deste eletroímã . Verificaremos que a corrente percorre a bobina ora em um sentido, ora em outro, sucessivamente, isto é varia a cada instante. É uma corrente alternada.

Figura

B.1.4 – Uma corrente alternada, percorrendo a bobina produz uma imantação variável. Comprove e explique o fenômeno.

Figura

B.1.5 – Curto-circuitar as extremidades das bobinas. Coloquemo-la, agora, próxima à imantação variável produzida por um eletroímã percorrido por uma corrente alternada. Verificar o que acontece. Explique.

Figura

B.1.6 – A rotação do eletroímã produz uma variação de imantação na bobina. Verifique.

Figura

B.1.7 – Verificar que:

• A rotação do eletroímã produz uma imantação variável na bobina.• Esta imantação variável gera na bobina uma corrente alternada.• As duas imantações variáveis interagem entre si.• A rotação do eletroímã provoca a rotação da bobina.

Figura

B.1.8 – Podemos melhorar a rotação da bobina, dando-lhe o feitio chamado “Gaiola de Esquilo” e acrescentando-se no seu interior chapas magnéticas para concentrar as imantações.

Figura

3 – BALANÇOS DE ENERGIA

1 – INTRODUÇÃO

O Princípio da Conservação da Energia, estabelece que a energia não é criada nem destruída; ela meramente é mudada na forma, é a condição inicial para o estudo dos transdutores de energia. Observando uma máquina elétrica acoplada a uma carga mecânica, inicialmente com os seus circuitos elétricos desexcitados e o eixo em repouso, e ligando-a como motor, a uma fonte elétrica, verificamos que nos instantes iniciais certamente a energia absorvida será diferente da energia mecânica fornecida a carga. Isso se deve ao fato de que, além das perdas existentes, temos ainda nesse momento armazenamentos de energia. O primeiro armazenamento será no campo magnético que está se estabelecendo no núcleo ferromagnético e nos entreferros. Haverá também um armazenamento de energia mecânica cinética nos elementos de inércia que estão sendo acelerados. Finalmente teremos ainda, energia armazenada nos campos elétricos, que se estabelecem no conversor.

Figura 3.1

2 – OBJETIVO:

Verificar a existência e variação da força em um sistema de excitação única.

3 – PROCEDIMENTOS:

Num eletroímã que possa ser excitado tanto com corrente contínua como com corrente alternada, podem ser feitas várias demonstrações qualitativas e quantitativas. Convém que o eletroímã seja operado com correntes de que produzam baixas densidades de fluxo no material magnético, para que se possa considerar toda f.m.m. aplicada ao entreferro.

a) Inicialmente, com corrente contínua, num valor de corrente de excitação compatível com o eletroímã em questão, pode-se verificar que essa corrente (que em regime permanente é limitada somente pela resistência) não depende da espessura do entreferro, mas o fluxo (devido a variação da relutância) sim, e consequentemente, a força de atração

φµ

−=S2

1F

2

0

será função do entreferro. Se tomarmos o eletroímã e

mantivermos a corrente de excitação e formos variando o entreferro, com as próprias mãos teremos feito uma verificação qualitativa desse fato.

b) Se aplicarmos corrente alternada num valor compatível, poderemos verificar que, para pequenas variações do entreferro o valor medido da força de atração mantém-se aproximadamente constante, fluxo se mantêm (para grandes variações, o espraiamento de fluxo altera e invalida a demonstração).

O fato da amplitude do fluxo em corrente alternada (senoidal) independer da relutância, está ligado ao fato de a impedância normalmente encontrada nos eletroímãs sem praticamente igual à reatância do enrolamento nas freqüências usuais. Assim sendo, é fácil de demonstrar que um aumento de entreferro implicará uma diminuição de indutância e, consequentemente, uma elevação da corrente de excitação, dada à constância do valor eficaz da tensão aplicada.

O aumento da corrente (e da f.m.m.) faz conservar a amplitude do fluxo que é também senoidal no tempo.

c) Aplique-se novamente corrente contínua, num valor que não provoque saturação do material do núcleo. Mantém-se a armadura fechada e toma-se um sinal da corrente de excitação através de um osciloscópio, ou, através do ponteiro de um amperímetro de baixa inércia. Abrindo-se bruscamente o entreferro, pode-se observar o comportamento daquela corrente. Procure determinar como será o comportamento dessa variação transitória da corrente. Será um surto de acréscimo ou decréscimo?

d) Medida da força em corrente contínua. Tomemos o eletroímã disponível. Procure ajustar o entreferro com a determinada corrente de excitação, observando a existência da força resultante. A partir desse ponto, é possível variar a força externa e determinar as correntes correspondentes. Podem ser traçadas as curvas força/corrente para vários calços (espessuras de entreferro) e, daí podem ser obtidas as curvas força x entreferro para cada corrente de excitação.

A verificação pode ser feita tanto em corrente contínua como em corrente alternada, fazendo-se uma comparação entre as duas.

4 – CICLO DE HISTERESE E CORRENTE A VAZIO

A – INTRODUÇÃO:

Considere-se o transformador mostrado na figura 4.1, com o circuito de secundário aberto e uma tensão alternada “V” aplicada aos terminais do primário. Uma pequena corrente de regime iϕ, chamada “corrente de excitação”, circula no primário e estabelece um fluxo alternado no circuito magnético. Este fluxo induz uma f.e.m. (e1) no primário.

Figura 4.1Figura 4.1

Pela Lei de Lenz “e1” é uma f.c.e.m, que junto com a queda de tensão na resistência de primário r1, deve contrabalançar a tensão aplicada “V”, assim: V = r1 iϕ + e1

Se a queda de tensão na resistência for desprezível, a f.c.e.m. será igual à tensão aplicada. Nestas condições, se uma tensão senoidal for aplicada a um enrolamento, deverá estabelecer-se um fluxo no núcleo variando senoidalmente.

As propriedades magnéticas do núcleo determinam a corrente de excitação. Ela deve ajustar-se de modo a produzir a f.m.m. exigida para criar o fluxo requerido. Devido às propriedades magnéticas não lineares do ferro, a forma de onda da corrente de excitação difere da forma de onda de fluxo. A curva da corrente de excitação em função do tempo pode ser

determinada graficamente a partir das características magnéticas do núcleo, na forma ilustrada na figura 4.2.


As ondas de tensão e1 e fluxo ϕ são senoidais e são mostradas na figura 4.2-a. O ciclo fluxo-f.m.m. no núcleo é mostrado na figura 4.2-b. Os valores da f.m.m. correspondentes aos vários valores do fluxo podem ser determinados deste ciclo de histerese. Por exemplo, no instante t’ o fluxo instantâneo é ϕ’, e está aumentando; o valor correspondente da f.m.m. é F’, lido na parte relativa a fluxo crescente no ciclo de histerese. O valor correspondente iϕ’ da corrente de excitação é marcado em correspondência ao instante t’ na figura 4.2-a. No instante t” o fluxo também tem o valor instantâneo ϕ’, mas está diminuindo, e os valores correspondentes de f.m.m. e corrente são F” e iϕ”. Deste modo é possível desenhar a curva completa da corrente de excitação iϕ mostrada na figura 4.2-a.

Se a corrente de excitação dor analisada por série de Fourier, verifica-se que ela se compõe de uma fundamental e uma família de harmônicas ímpares. A fundamental pode, por sua vez, ser separada em duas componentes, uma em fase com a f.c.e.m. e outra atrasada em 90o em relação à f.c.e.m. A componente em fase corresponde à potência absorvida pela histerese e perdas por correntes de Foucault no núcleo é chamada a componente de perdas no núcleo, da corrente de excitação. Quando esta componente é subtraída da corrente de excitação total, a diferença é chamada corrente de magnetização. Esta compreende uma componente fundamental atrasada em 90o em relação a f.c.e.m., e mais todas as

harmônicas, cuja principal é a terceira pois usualmente é cerca de 40% de iϕ. É a componente responsável pela deformação da onda.

ENERGIA ARMAZENADA E CICLO DE HISTERESEENERGIA ARMAZENADA E CICLO DE HISTERESE

Na equação do balanço de energia, a energia associada ao campo magnético é determinada pela f.m.m. da bobina e pela configuração do material magnético e da bobina. O campo gera forças mecânicas, mas se não houver movimento mecânico, nenhum trabalho mecânico será realizado. Então:

dWele = dWcpo + 0

A energia do campo para uma configuração específica pode então ser encontrada a partir da energia fornecida pela fonte ao estabelecer o campo com configuração fixa.

Figura 4.3

A energia elétrica de entrada (1 dλ) associada a uma variação no fluxo, é absorvida pelo campo. Esta energia absorvida é dada por:

∫ ∫λ ϕ

ϕϕ=λλ=o ocpo d)(Fd)(iW

Quando a fonte excita o circuito obtemos a característica (0 – a), mostrada na figura 4.3. A região (0 – a – b) representa a energia armazenada (Wcpo), pois pela própria definição de integral, a área

compreendida entre a característica (0 – a) e o eixo do fluxo é a energia armazenada, o que é facilmente constatado pela equação.

A excitação é reduzida a zero. Espera-se que toda a energia armazenada seja devolvida a fonte, ou seja, segundo a característica (0 – a). Mas somente a quantidade representada pela área (a – b – c) é devolvida a fonte. Isto se deve ao fato da presença das perdas de material ferromagnético. Portanto, parte da energia fica retida no material ferromagnético devido as suas propriedades magnéticas não lineares.

B – PROCEDIMENTO: (Visualização da Característica B x H)

Sabemos que E = 4,44 N1. B.S.f )1(fSN 44,4

EB

1

=⇒

Por outro lado )2(NI

H

= . Basta medir I.

O circuito será:

Figura 4.4

Para que a curva de histerese surja na tela do osciloscópio, é preciso fazer com que a entrada horizontal receba um sinal proporcional a H. Pela equação (2) observa-se que N e são constantes, (transformador já

construído), teremos então KINI

H ==

. Portanto, basta introduzir no

canal horizontal um sinal proporcional a I, ou seja, a queda da tensão RI no resistor R, de valor conhecido. Conhecendo-se o ganho horizontal do osciloscópio, o valor de H estará perfeitamente determinado.

Na entrada vertical, necessita-se colocar um sinal proporcional a B. Pela Lei de Faraday:

∫=⇒=φ= edtNS

1B)BS(

dt

dN

dt

dNe

Logo, é preciso tomar um sinal proporcional à integral de e no tempo, o que é conseguido usando-se o circuito RC. Conhecendo-se as constantes do circuito e o ganho vertical do osciloscópio, o valor instantâneo de B ficará perfeitamente determinado.

A potência total entregue ao sistema é W = ei, onde i é a corrente do primário e e é o valor tirado do secundário. Então, o wattímetro indicará toda a potência magnética entregue ao sistema. Como a potência de saída é praticamente nula (apenas consumida pelos instrumentos), a potência entregue pela fonte será PHF.

Sabemos que: PH α f e PF α f2, assim, fazendo a medição em duas freqüências f e f’, poderemos escrever:

constante Bm que desde K.Bmf2,2fBm.KsP 226,1

HF =+=

K.Bm'f2.2'fBm.KsP 226,1

F'H +=

A área do ciclo obtida no osciloscópio deverá ser igual à leitura do wattímetro, menos as perdas nos instrumentos, para o valor de corrente considerado.

Corrente a Vazio (Forma de Onda)

Conforme vimos na introdução teórica, a forma de onda da corrente de excitação difere da forma de onda do fluxo.

Sabemos que: 1N

Rmag x i

φ=ϕ , onde o fluxo magnético é

senoidal, o número de espiras é constante, mas a relutância varia devido a diferentes estados de saturação que ocorrem no núcleo.

A curva da corrente de excitação em função do tempo, pode ser visualizada na tela do osciloscópio, bastando para isso manter no mesmo, em relação à experiência anterior, só o sinal da corrente (canal X).

C – BIBLIOGRAFIA:

FITZGERALD, A.E. – Máquinas ElétricasKOSOW, Irving L. – Máquinas Elétricas e TransformadoresSLEMON, Gordon R. – Equipamentos Magnetelétricos.

D – QUESTIONÁRIO:

1) Por que PF é desprezível quando o tempo para a realização do ciclo for elevado ?

2) Por que a forma de onda de iϕ é não senoidal ? Qual a sua composição ?

3) Como se determina a relação de transformação, para transformadores trifásicos ?

4) Na característica fluxo x F.M.M., de um transdutor eletromecânico de energia, acoplamento magnético, explique por que a área compreendida pelo eixo das ordenadas (φ) e a curva, representa a energia armazenada ?

5) Por que a área do ciclo de histerese representa a perda por histerese, por ciclo, de um transdutor eletromecânico, com acoplamento magnético ?

6) Defina perdas por histerese e perdas por correntes de Foucault e a relação entre elas.

5 – POLARIDADE DE TRANSFORMADORES

A – INTRODUÇÃO:

A marcação da polaridade dos terminais dos enrolamentos de um transformador monofásico indica quais são os terminais positivos e negativos em um determinado instante, isto é, a relação entre os sentidos momentâneos das f.e.m. nos enrolamentos primário e secundário. Esta polaridade depende fundamentalmente de como são enroladas as espiras do primário e do secundário (figura 5.1), que podem ter sentidos concordantes ou discordantes como se vê na mesma figura.

Figura 5.1

a) enrolamentos concordantes b) enrolamentos discordantes

V2 = e1 – e2 V2 = e1 + e2

V1 = e1 V1 = e1

Caso a: Polaridade Subtrativa (mesmo sentido dos enrolamentos)Caso b: Polaridade Aditiva (sentidos contrários dos enrolamentos)

Esses sentidos têm implicação direta quanto à polaridade da f.c.e.m. e f.e.m.

Aplicando uma tensão V1 ao primário de ambos os transformadores, com a polaridade indicada na (figura 5.1), haverá circulação de correntes nesses enrolamentos, segundo o sentido mostrado. Então os correspondentes fluxos serão produzidos e consequentemente aparecerão f.e.m. nos enrolamentos secundários que, de acordo com a Lei de Lenz contrariam a causa que as deu origem. Logo, no caso a, ter-se-á uma f.e.m. induzida que tenderia a produzir a corrente i2 indicada. Portanto seria induzida uma f.e.m. (e2) no sentido indicado, que irá ser responsável por um fluxo contrário ao fluxo produzido devido a i1. Já no caso b, tal f.e.m. deverá ter sentido exatamente oposto ao anterior com o propósito de continuar produzindo um fluxo contrário ao indutor.

Analogamente ao que acontece no secundário, estando o mesmo fluxo cortando também o primário, tem-se uma tensão induzida no circuito do primário, sendo, pois, denominada por f.c.e.m., tendo o sentido indicado na figura 5.1 a e b. Uma vez que a tensão aplicada (V1) tem a mesma polaridade para a f.c.e.m. e1 de modo que se tenha o efeito de queda de tensão.

Ligando-se, agora, os terminais 1 e 1’ em curto, e colocando-se um voltímetro entre 2 e 2’, verifica-se que as tensões induzidas (e1 e e2) irão subtrair-se (caso a) ou somar-se (caso b), originando daí a designação para a polaridade de transformadores.

B – MARCAÇÃO DOS TERMINAIS

A ABNT recomenda que os terminais de tensão superior sejam marcados com H1 e H2, e os de tensão inferior com X1 e X2, de tal modo que os sentidos das f.e.m. momentâneas sejam sempre concordantes com respeito aos índices.

Com isso, pode-se observar que, na polaridade subtrativa, os terminais com índice 1 são adjacentes, o mesmo acontecendo com os índices 2, e, na polaridade aditiva, esses índices são opostos entre si.

C – PROCEDIMENTOS

1) Equipamentos Necessários:

• Transformador monofásico• Voltímetro CA• Fonte CC• Voltímetro CC• Chave monofásica

2) Registrar para o transformador ensaiado:

VTI = VTS =SN = I1N = I2N =

D – DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE

D-1) – Método do Golpe Indutivo de Corrente Contínua

Ligam-se os lados de tensão superior a uma fonte CC. Instala-se um voltímetro CC dos lados de alta e baixa do trafo. O positivo do primeiro voltímetro será ligado em H1 e o positivo do segundo voltímetro será ligado em X1. (marcados inicialmente com um giz).

Montagem:

Figura 5.2

V1 deflete ___________________ V2 deflete ___________________

Polaridade _______________________

Liga-se a fonte, observando-se a deflexão de V1. Logo em seguida, desliga-se a fonte, observando-se a deflexão de V2:

- Se V1 e V2 defletirem em sentidos opostos ⇒ Polaridade Subtrativa.- Se V1 e V2 defletem em sentidos opostos ⇒ Polaridade Aditiva.

D-2) – Método da Corrente Alternada

Neste caso, ligam-se entre si os lados adjacentes, um na tensão superior, o outro na tensão inferior (H1 a X1). Associa-se um voltímetro entre os lados de alta e baixa (entre H2 e X2), ligue também um voltímetro na entrada (entre H1 e H2). Proceda a leitura dos instrumentos de medida aplicando uma tensão apropriada entre H1 e H2.

Se a primeira leitura (V1) for maior que a segunda, a polaridade será subtrativa; caso contrário, será aditiva.

Montagem:

Figura 5.3

OBS.: Este método se aplica bem para relações de espiras até 30:1.

D-3) – MÉTODO DO TRANSFORMADOR PADRÃO

Este método consiste em comparar o transformador a ensaiar com um transformador-padrão de polaridade conhecida que tenha a mesma relação do número de espiras.

Ligam-se em paralelo os enrolamentos de tensão superior dos dois transformadores, tendo-se o cuidado de ligar entre si os terminais marcados, isto é, os de igual polaridade.

Ligam-se entre si, na tensão inferior, os terminais da esquerda de quem olha pelo lado da tensão inferior, deixando livres os da direita.

Aplica-se uma tensão reduzida no enrolamento de tensão superior e mede-se o valor da tensão entre os dois terminais livres. Se este valor for nulo, ou praticamente nulo, os dois transformadores terão a mesma polaridade, ficando dessa forma conhecida a marcação dos terminais do transformador em teste. Caso contrário, a marcação dos terminais do segundo transformador será em seqüência oposta ao do primeiro.

Montagem:

Figura 5.4

E – BIBLIOGRAFIA

OLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria e Ensaios

KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores

F – QUESTIONÁRIO

1) Como efetuar o teste de C.A., (polaridade) para transformadores com relação de espiras superior a 30:1 ?

2) Quais as vantagens da utilização quase que de apenas transformadores subtrativos.

3) Justificar o método C.A., apresentando um caso em que V2 < V1. Poderíamos usar um terceiro voltímetro para encontrar esta diferença diretamente ? Onde ele seria conectado.

4) É possível conhecer a polaridade de um transformador, conhecendo-se apenas os sentidos de enrolamento de suas bobinas ? Justifique.

6 – ENSAIO À VAZIO DE UM TRANSFORMADOR

A – INTRODUÇÃO

O transformador embora não seja propriamente um dispositivo de conversão eletromecânica de energia, é um dispositivo importante na análise global de um sistema de energia. Sendo um componente que transfere energia de um circuito elétrico à outro o transformador toma parte nos sistemas elétricos e eletromecânicos, seja simplesmente para isolar eletricamente os circuitos entre si, seja para ajustar a tensão de saída de um estágio do sistema à tensão de entrada do seguinte, seja para ajustar a impedância do estágio seguinte à impedância do anterior (casamento de impedância), ou para todas essas finalidades ao mesmo tempo.

O transformador opera segundo o princípio da indução mútua entre duas (ou mais) bobinas ou circuitos indutivamente acoplados. Importante salientar que os circuitos não são ligados fisicamente, ou seja, não há conexão condutiva entre eles.

O circuito ligado à fonte de tensão é chamado primário e o circuito no qual a carga é conectada, é denominado secundário.

Circuito Equivalente = Nomenclatura e Símbolos


V1 = Tensão de suprimento aplicada ao primário (V)r1 = Resistência do circuito primário (Ω)x1 = Reatância do circuito primário (Ω)I1 = Valor médio quadrático da corrente drenada da fonte pelo primário (A)E1 = Tensão induzida no enrolamento primário por todo o fluxo que

concatena a bobina 1 (V)N1 = Número de espiras do enrolamento primárioIo = Corrente de magnetização (A)Zm = Impedância do ramo magnetizante (Ω)V2 = Tensão que aparece nos terminais do secundário (Ω)r2 = Resistência do circuito secundário (Ω)x2 = Reatância do circuito secundário (Ω)I2 = Valor médio quadrático da corrente entregue pelo circuito secundário à

carga ligada a seus terminais (A)E2 = Tensão induzida no enrolamento secundário por todo o fluxo que

concatena a bobina 2 (V)N2 = Número de espiras do enrolamento secundárioZc = Impedância da carga conectada nos terminais do circuito secundário (Ω).

ENSAIO À VAZIOENSAIO À VAZIO

B – OBJETIVO

O ensaio à vazio de transformadores tem como finalidade a determinação de:

• Perdas no núcleo (PH + PF)• Corrente à vazio (Io)• Relação de transformação (KT)• Impedância do ramo magnetizante (Zm)

PERDAS NO NÚCLEO (PO)

O fluxo principal estabelecido no circuito magnético é acompanhado dos efeitos conhecidos por histerese e correntes parasitas de Foucault.

OBS.: O fluxo magnético na condição de carga ou à vazio é praticamente o mesmo.

As perdas por histerese são dadas por:

PH = Ks . B1,6 . fEm que:

PH = perdas por histerese em watts por quilograma de núcleoKs = coeficiente de Steimmetz (depende do material)f = freqüência em HzB = indução (valor máximo) no núcleo.

Estando o núcleo sujeito a um fluxo alternado, nele serão induzidas forças eletromotrizes com o conseqüente aparecimento das correntes de Foucault. O produto da resistência do circuito correspondente pelo quadrado da corrente significa um consumo de potência.

As perdas por correntes parasitas de Foucault são dadas por:

PF = 2,2 f2 B2 d2 10-3

Em que:

PF = perdas por correntes parasitas em watts por quilograma de núcleof = freqüência em HzB = indução máxima em Wb/m2

d = espessura da chapa em mm

Somando as duas perdas analisadas, obtemos as perdas totais no núcleo (Po)

Po = PF + PH

CORRENTE À VAZIO

É a corrente absorvida pelo primário para suprir as perdas e para produzir o fluxo magnético. Sua ordem de grandeza é em torno de 5% da corrente nominal de enrolamento.

RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO (KT)

É a proporção que existe entre tensão do primário e do secundário.

2

1

2

1

2

1

V

V

N

N

E

EKT ≅==

IMPEDÂNCIA DO RAMO MAGNETIZANTE (Zm)

O ramo magnetizante é formado por uma resistência Rm

(relacionada com as perdas no núcleo) e por uma reatância Xm (relacionada com a produção do fluxo principal).

Para o cálculo de Rm e Xm considera-se um dos circuitos a seguir:

Figura 6.2 Figura 6.3

2

ms

2

msms

o

1ms2

o

oms RZX ;

I

E Z;

I

PR −===

oooqooop

oo

o1

o senII cosII IV

Pcos θ=θ=

=θ −

oq

mp

op

1mp I

VX ;

I

VR ==

NOTA: O módulo da impedância do ramo magnetizante é muito maior que o módulo da impedância dos enrolamentos primário ou secundário.

Zm >> Z1 ; Zm >> Z2

C – EXECUÇÃO DO ENSAIO

I) Material Necessário:

• 1 transformador 1∅• 1 varivolt 1∅• 1 voltímetro• 1 amperímetro• 1 wattímetro• cabos para conexões

II) Preparação

Registrar os dados de placa do transformador:

VN(BT) = ____________ (V) VN(AT) = ___________(V)

IN(BT) = ____________ (A) IN(AT) = ___________(A)

SN = ____________ (KVA) f = __________(Hz)

III) Montagem:

Ligar o transformador a uma fonte de tensão, alimentando-o pelo lado de baixa e deixando o lado de alta tensão em aberto, conforme a figura a seguir:

Figura 6.4

Para a tensão e freqüência nominais anote:V = ___________________(V)Io = ___________________(A)Po = ___________________(W)

D – ANÁLISE

I) Determinar a relação de transformaçãoa – com os valores de ensaiob – com os dados de placa

II) Determinar a corrente à vazio em porcentagem da corrente nominal.

III) Determinar os parâmetros do ramo magnetizante utilizando as representações série e paralela.

E – BIBLIOGRAFIA

FITZGERALD, A.E. – Máquinas ElétricasKOSOW, Irving, L. – Máquinas Elétricas e TransformadoresFALCONE, A.G. – EletromecânicaOLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria em Ensaios

F – QUESTIONÁRIO

1) Qual enrolamento (AT ou BT) é normalmente utilizado para a execução do ensaio à vazio ? Justifique.

2) Porque as perdas no cobre podem ser despresadas no ensaio à vazio ?

3) Analisar o problema das perdas se um trafo com freqüência nominal de 50 Hz trabalha com 60 Hz.

4) Caso o ensaio fosse realizado com um transformador trifásico que alterações seriam necessárias ?

5) Porque a laminação do núcleo dos transformadores reduz as perdas por correntes parasitas (Foucaut) ?

6) Pesquise informações sobre a corrente transitória de magnetização (INRUSH).

7) Desenhe o circuito equivalente do transformador quando este opera à vazio e justifique o desprezo da impedância primária para o cálculo da impedância do ramo magnetizante.

7 – ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO

A – INTRODUÇÃO

Seja o circuito equivalente de um trafo monofásico (referido primário).

Figura 7.1

Caso apliquemos um curto-circuito no secundário serão nulos:• A tensão terminal secundária (V2 = 0)• A impedância de carga (Zcarga = 0)

Além disso, considerando que Vcc é baixo (da ordem de 10% de Vn), a indução no núcleo reduz-se na mesma proporção, consequentemente as perdas por histerese (PH α B1,6) e as perdas por corrente de Foucaut (PF α B2) podem ser despresadas.

O circuito equivalente para o ensaio em curto então fica:

Figura 7.2onde: R = r1 + r’2 X = x1 + x’2

Vcc = Tensão aplicada ao primário, quando o secundário está em curto-circuito, e que faz circular a corrente nominal do enrolamento primário.

Para a realização do ensaio faz-se necessário circular a corrente nominal do transformador, portanto é aconselhável executar o ensaio no enrolamento de AT que possui uma menor corrente nominal. Assim, os

instrumentos de medição serão ligados no enrolamento de AT e curto circuitaremos o enrolamento de BT.

B – OBJETIVO

O ensaio em curto-circuito permite a determinação de:• Perdas no cobre• Queda de tensão interna• Impedância, resistência e reatância percentuais

B.1 – PERDAS NO COBRE (Pj)

A corrente que circula no transformador depende da carga alimentada pelo mesmo. As perdas nos enrolamentos, que são por efeito joule, podem ser expressas por:

2

22

2

11

2

22

2

11 IRIRIrIrPj ==+=

onde: 212211 rrR rrR +′=′+=

Como as perdas nos enrolamentos são proporcionais ao quadrado da corrente circulante, torna-se necessário estabelecer um ponto de operação a fim de caracterizar as perdas no cobre. Esse ponto de operação corresponde à corrente nominal.

B.2 – QUEDA DE TENSÃO INTERNA (∆V)

A queda da tensão interna referida à AT, conforme o circuito equivalente simplificado é dada por: ∆V = Z1 I1.Pode-se afirmar que, ao fechar o secundário em curto-circuito, a tensão aplicada ao primário será a própria queda de tensão procurada. Naturalmente, sendo a queda de tensão função da corrente, isso força a especificação do ponto de operação do transformador que, como anteriormente, corresponderá ao nominal.

B.3 – IMPEDÂNCIA, RESISTÊNCIA E REATÂNCIA PERCENTUAIS (Z%, R%, X%)

Um inconveniente do circuito equivalente do transformador reside no fato de que as grandezas elétricas são numericamente diferentes caso o circuito seja referido ao primário ou secundário. Tendo em vista o grande número de transformadores presentes nas redes elétricas e objetivando contornar as dificuldades de cálculo pode-se processar os estudos através de uma alteração de unidades, que na verdade transforma todas as grandezas em adimensionais conforme detalhado a seguir:

2

cc1I

PjR =

100.V

I.R100.

V

I.R100.

Z

R%R

n2

n22

n1

n11

base

1 ===

II Se n11cc = ⇒ R% = Pjm/sm . 100

cc1

cc11 I

VZ =

100.V

I.Z100.

V

I.Z100.

Z

Z%Z

n2

n22

n1

n11

base

1 ===

n11cc II Se =

100.V

V%Z

n1

cc1 n=

222

1

2

11 %RZ%X% RZX −=−=

Caso o teste tenha sido feito com I1cc ≠ I1n podemos obter a seguinte correção:

cc1

n1cc11ccn

n1

ccn1

cc1

cc11 I

I.VV

I

V

I

VZ =⇒==

[2] IRP

I

IPPP

[1] IRP

2

n11ccn1

2

cc1

n1cc1ccn1jn

2

cc11cc1

=

=≅⇒

=

C – CORREÇÃO DO VALOR DA RESISTÊNCIA

Durante o ensaio, os enrolamentos estão à temperatura ambiente (θA), e não há tempo suficiente para o aquecimento do transformador. Como se sabe a resistência varia com a temperatura. Torna-se necessário, portanto, a correção do valor calculado de R.

Corrige-se para 75oC no caso de trafos de classe de temperatura 105o a 130oC.

Corrige-se para 115oC no caso de trafos de classe de temperatura 155o a 180oC.

A correção é feita através da seguinte fórmula:

22 %)X(F)(R%A Z% A K.R%F %R +θ=θθ=θ

A 1/

F /1K

θαθα=

onde:

θF = temperatura final (oC)θA = temperatura ambiente (oC)1/α = 225 para o alumínio1/α = 234, 5 para o cobre

D – PREPARAÇÃO DO ENSAIO

D.1 – REGISTRAR OS DADOS DE PLACA DO TRAFO A SER ENSAIADO

SN = _______________ KVA f = ______________ Hz

V1 = _______________ V V2 = ______________ VI1 = _______________ A I2 = ______________ A

D.2 – MATERIAL NECESSÁRIO

• 1 transformador monofásico• 1 transformador variador de tensão monofásico (Varivolt)• 1 amperímetro• 1 voltímetro• 1 wattímetro• cabos para conexões

E – EXCUÇÃO DO ENSAIO

Ligar o trafo à fonte de tensão, alimentando o lado de AT e curto-circuitando o lado de BT conforme o esquema a seguir:

Figura 7.3

Após conectar os equipamentos conforme o esquema acima, fazemos circular corrente nominal no trafo. Para tal aumenta-se cuidadosamente o nível de tensão até que Icc = I1n.

Caso não seja possível circular a corrente nominal do trafo, veja a fórmula de correção apresentada no ítem B.3.

A potência medida pelo wattímetro (Pcc) corresponde aproximadamente à potência dissipada nos enrolamentos.

A tensão medida pelo voltímetro (Vcc) corresponde aproximadamente à queda de tensão interna.

F – ANÁLISE

1. Calcule R1, X1, Z1

2. Calcule R%, X%, Z%3. Corrija a impedância para a temperatura de operação do transformador

ensaiado4. Calcule Vcc%

G – BIBLIOGRAFIA

FITZGERALD, A.E. – Máquinas ElétricasFALCONE, A.G. – EletromecânicaKOSOW, Irving, L. – Máquinas Elétricas e TransformadoresOLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria e Ensaios

H – QUESTIONÁRIO

1) Justifique porque normalmente se utiliza o enrolamento de AT para a execução do ensaio em curto-circuito.

2) Qual a vantagem e desvantagem de um trafo que tenha grande Vcc em sistemas elétricos ?

3) Durante o ensaio em curto-circuito, o que ocorre com a indução no núcleo do transformador ? Justificar.

4) Durante a realização do ensaio em curto-circuito ocorrem as chamadas perdas adicionais. Pesquise e apresente comentários sobre esse tipo de perdas.

5) Ao ensaiar transformadores trifásicos, que alterações são introduzidas no procedimento de cálculo dos parâmetros de transformadores ? (Parâmetros de excitação e dispersão).

6) Pesquise e apresente informações sobre a “Capabilidade” dos transformadores.

8 – RENDIMENTO E REGULAÇÃO DE TRANSFORMADORES

1 – INTRODUÇÃO

O grande número de transformadores presentes numa rede elétrica (desde a geração até o ponto de utilização da energia elétrica) determina que os mesmos devam, se possível, apresentar rendimentos próximos ao valor 100%.

De fato, os esforços do passado tanto no que se refere a materiais como projeto e construção, resultaram em dispositivos atuais que apresentam rendimentos próximos a 98 ou 99%.

Adicionalmente, há ainda a se considerar dois tipos de aplicações:

I – Trafo de Distribuição (potência nominal até em torno de 500 KVA)


Observamos que o transformador de distribuição opera a maior parte do dia com aproximadamente 50% de sua potência nominal e somente na faixa de tempo compreendida entre 17 e 22 horas opera à plena carga.

II – Trafo de Força (potência nominal maior que 500 KVA)


O transformador de força opera 24 horas à plena carga.

Estas características operacionais distintas implicam diferentes critérios de projeto para os dois tipos de transformadores. Enquanto que para o primeiro é interessante que o rendimento máximo ocorra para, talvez, 40% Sn; o caso do trafo de força impõe que o rendimento máximo deve ocorrer em torno de Sn.

Um problema de grande importância operacional está vinculado com a variação da tensão secundária (V2) com a carga. Esta variação define a regulação de um trafo e mede a variação da tensão em relação a tensão secundária à vazio (E2).

A regulação positiva determina um redução da magnitude de V2

em relação a E2, e o fenômeno está associado ao suprimento de cargas indutivas ou fracamente capacitiva. No caso de uma carga fortemente capacitiva podemos ter uma regulação negativa e neste caso V2 > E2.

2 – OBJETIVO

Este ensaio tem por finalidade verificar o rendimento e a regulação de um transformador através da variação da carga conectada nos terminais do secundário.2.1 – RENDIMENTO:

Durante a operação de um transformador, a transferência de energia elétrica do primário para o secundário se faz acompanhada de perdas, ou seja, a potência útil no secundário é menor que no primário. Essas perdas se manifestam sob a forma de calor e tem origem tanto nos enrolamentos (Perdas Joule), como no material do núcleo magnético (histerese e Foucault). Define-se rendimento como sendo a relação entre a potência ativa de saída (secundário) e a potência ativa de entrada (primário).

Matematicamente, o rendimento é expresso por:

100 x P

P%

P

P

1

2

1

2 =η=η

É importante determinar o ponto de operação do transformador no qual ocorre o rendimento máximo. Tal ponto, estabelecido no projeto, é função das perdas no trafo e é dado por:

Pjn

P 1,2max) %(fc o=η

onde

n2

2

I

Ifc = = fator de carga; sendo I2n a corrente nominal para o secundário do

transformadorPo = perdas no núcleoPjn = perda joule nominal

Graficamente, temos o seguinte:


De acordo com a ABNT, o rendimento nominal de um transformador é calculado ou medido sob as seguintes condições:

• Tensão nominal (Vn)• Corrente nominal (In)• Fator de potência da carga unitário (cos φc = 1)

2.2 – REGULAÇÃO

Entendendo o transformador como uma impedância série entre fonte e carga, verifica-se que a circulação de corrente sobre esta impedância levará a uma queda de tensão (∆V). Define-se a regulação de tensão para transformadores como sendo a variação da tensão nos terminais do secundário, quando a este é conectada uma carga. Como transformador à vazio, no secundário tem-se E2, que passa para um valor V2

ao se ligar uma carga. Se a variação é pequena diz-se que a regulação é boa.

A regulação de tensão é expressa por:

100 x V

VEReg%

V

VEgRe

2

22

2

22 −=−=

E pode também ser dada por:

Reg% = R% . cos Reg% = R% . cos φφ c . fc + X% . sen c . fc + X% . sen φφc . fcc . fc

onde:

R% = resistência percentualX% = reatância percentualcos φc = fator de potência da carga

fc = fator de carga = n2

2

I

I

3 – PREPARAÇÃO DO ENSAIO

3.1 – MATERIAL NECESSÁRIO

• 1 trafo monofásico• 1 transformador variador de voltagem (Varivolt)• 1 carga resistiva variável (Reostato)• 2 amperímetros• 2 voltímetros• 2 wattímetros

3.2 – REGISTRAR OS SEGUINTES DADOS DE PLACA DO TRANSFORMADOR A SER ENSAIADO

Sn = ________________ KVA I1n = _______________ A

V1n = ________________ V I2n = _______________ A

V2n = ________________ V f = _______________ Hz

Observe se os instrumentos são compatíveis com os valores a serem medidos.

4 – EXECUÇÃO DO ENSAIO

Tanto o rendimento como a regulação de tensão são funções da corrente de carga (I2). O objetivo é verificar o rendimento e a regulação para diversos valores de corrente de carga. Para tanto, faça a seguinte montagem:


Após conectar os equipamentos:

a) Aplicar tensão nominal no primário, e com o secundário aberto colher os dados Po, Io e Vo.

b) Retornar o varivolt a zero, curto-circuitar o secundário e colher os dados do ensaio em curto Pcc, Icc e Vcc.

c) Retirar o curto, aplicar tensão nominal no primário e preencher o quadro a seguir:

I2(A) V2(V) P2(W) I1(A) V1(V) P1(W) η% Reg %0,00,200,300,350,400,450,500,550,60

0,701,0

Nota: Nem sempre é possível realizar este ensaio para grandes transformadores face às dificuldades de obter-se cargas compatíveis com sua potência nominal.

5 – ANÁLISE

6. Com os dados da tabela obtida no ítem 4, traçar a curva η% x fc.7. Classifique o transformador ensaiado (força ou distribuição).8. Calcule o fator de carga para o rendimento máximo.9. Para corrente de carga I2 = 1,0 A, considerando os dados do ensaio à

vazio e em curto, e que V1 = 220 V calcular V2, o rendimento, a regulação de tensão, e comparar com os valores obtidos na experiência.

6 – BIBLIOGRAFIA

OLIVEIRA, J.C. – Transformadores – Teoria e Ensaios – Editora Edgard Blucher, 1984.

KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores – Editora Globo, 1977.

7 – QUESTÕES

1) No ensaio, o fator de potência da carga foi unitário. O que aconteceria com o rendimento se o fator de potência da carga fosse menor que 1 ?

2) Critique a afirmativa:“Um bom transformador possui um alto rendimento e uma baixa regulação”.

3) É possível que um transformador tenha uma regulação de tensão negativa? Explique .

4) Pesquise e apresente informações sobre o rendimento diário de um transformador.

9 – CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE

A – INTRODUÇÃO

Para um perfeito entendimento da teoria das máquinas de corrente alternada, devemos dar uma atenção especial ao conceito de campo magnético girante, cujas condições para existência são:

1. Existência de um conjunto de enrolamento deslocados no espaço.

2. Alimentação desses enrolamentos por meio de correntes defasadas no tempo.

Sabemos que o conjugado produzido pelas máquinas de C.A. é o resultado da interação de campos magnético, no entreferro.

CAMPO GIRANTE PRODUZIDO POR UM SISTEMA TRIFÁSICOCAMPO GIRANTE PRODUZIDO POR UM SISTEMA TRIFÁSICO

1. OBJETIVOS

Mostrar através da utilização de 3 bobinas e da gaiola de esquilo a existência no campo girante.

2. MATERIAL UTILIZADO :

• 3 bobinas - R = Imax = - X = Z =• 3 amperímetros• 1 voltímetro• 1 varivolt trifásico

3. REALIZAÇÃO PRÁTICA DO ENSAIO

Ligação das bobinas em Y- conforme esquema:


4.1. Para uma tensão aplicada determinar os valores de i1, i2 e i3

V (V) (Linha) i1 (A) (Linha) i2 (A) Linha i3 (A) Linha

4.2. Para a mesma tensão aplicada anteriormente (4.1) e fazendo uma das correntes igual a zero (por exemplo i1) – determinar i2 e i3.

V (V) Linha i1 (A) Linha i2 (A) Linha i3 (A) LinhaZEROZERO

4.3. Inverta a alimentação entre duas fases. Por exemplo faça a corrente i1 circular pela fase b e a corrente i2 circular pela fase a e verifique o sentido de giro da gaiola.

4.4. Afaste as três bobinas simultaneamente da gaiola e veja o que ocorre com a velocidade de giro da mesma.

4.5. Para as mesmas bobinas anteriores faça a conexão em ∆ e alimente com uma tensão de 3/1 da anteriormente aplicada e determine.

V (V) Linha i1 (A) Linha i2 (A) Linha i3 (A) Linha

4.6. Para a mesma tensão do item 4.5. e fazendo i1 igual a zero,

V (V) Linha i1 (A) Linha i2 (A) Linha i3 (A) LinhaZERO

4.7. Repita o item 4.3.

4.8. Repita o item 4.4.

PERGUNTAS

1. Porque quando há a perda de uma fase (itens 4.2 e 4.6) as correntes nas outras fases aumentam de intensidade.

2. Justificar os itens 4.3. e 4.7., ou seja, porque há a inversão do sentido de giro da gaiola.

3. Justificar detalhadamente os itens 4.4. e 4.8.

4. Existe alteração na gaiola de esquilo quando as ligações das bobinas passam de Y para ∆ ? Porque ?

5. Quais tensões (valores e corrente teríamos se os instrumentos de medição fossem colocados como mostrado abaixo (ligação Y) para a mesma tensão de alimentação do item 4.1.


10.Compare os resultados anteriores com os obtidos em 4.1. e analise o ocorrido.

11. Quais valores de tensão e de corrente teríamos se os instrumentos de medição fossem colocados como mostrado abaixo (ligação em ∆) para a mesma tensão de alimentação do item 4.5.


Portanto, verificamos que um enrolamento polifásico excitado por correntes polifásicas equilibradas, produz o mesmo efeito geral que é produzido pela rotação de um imã permanente em torno de um eixo perpendicular ao imã, ou pela rotação dos pólos de campo excitado por corrente contínua.

Concluímos que ao aplicarmos um sistema trifásico de correntes ao estator, produzimos um campo girante. O campo girante induz f.e.m. nos condutores do rotor.

No motor síncrono a polaridade do campo é fixada pela corrente contínua que circula o enrolamento dos pólos. O circuito da armadura e do rotor são separados. Para que o conjugado tenha sempre o mesmo sentido é necessário que o campo girante e os pólos se desloquem com a mesma velocidade.

No motor de indução a corrente que circula no rotor é devido ao fenômeno da indução. O campo girante induz no rotor a f.e.m. que produz a corrente do rotor. Consequentemente, para que haja conjugado, é necessário que o rotor tenha uma velocidade diferente da do campo girante, pois se fossem iguais não haveria indução de f.e.m. no rotor. Portanto, só teremos conjugado no motor de indução, para velocidades diferentes da velocidade síncrona.

A velocidade síncrona do campo girante é dada por:

p

f 120Ns

60

Ns

2

Pf =⇒=

A velocidade do rotor, para o motor de indução é dada por:

Ns)S1(NrNs

NrNsS −=⇒−=

onde:f = freqüênciap = número de pólosS = escorregamento

Finalmente podemos concluir que:

1) Se Nr < Ns, os condutores do rotor serão cortados pelo fluxo campo girante do estator, produzindo um conjugado motor.

2) Se Nr = Ns, não haverá movimento relativo entre os condutores do rotor e o campo girante, resultado no não funcionamento da máquina.

3) Se Nr > Ns, caso em que a máquina é acionada em uma velocidade acima da síncrona, os condutores do rotor serão novamente cortados pelo fluxo do campo girante, produzindo agora um conjugado resistente. Funcionamento como gerador.

B – OBJETIVO

Utilizando dois motores de indução, verificar a presença do campo magnético girante.

C – PROCEDIMENTO

1) Ligar os motores conforme a figura 9.4.2) Tentar partir o motor número 1 (veja obs. 1 abaixo com a chave

monofásica) S3 aberta. Observar que assim ele não parte.3) Fechar a chave S3 e tentar novamente partir o motor número 1. Agora

ele partirá e entrará em regime normal de funcionamento após retirar o dispositivo auxiliar de partida (se houver).

4) Com o motor girando abrir a chave S3. Observar que ele continua funcionando.

5) Ainda com S3 na posição aberta tentar partir no motor número 2. Verificar que ele irá partir e que irá existir uma corrente na fase a do motor. Por que?

6) Desligar ambos os motores e voltar a chave S3 para a posição fechada. Observar os seguintes processos de partida para o motor de indução:a) Partida com resistência inserida no circuito do rotor (somente para o motor de

rotor bobinado).b) Partida com tensão reduzida com auto-transformadores (varivolt

trifásico no nosso caso).c) Partida estrela-triângulo, sendo estrela na partida e triângulo em

funcionamento normal.7) Responder as questões propostas.


OBSERVAÇÃO

1. Na partida do motor bobinado a resistência do rotor deve ser máxima. Em funcionamento normal deve ser mínima.

2. Dos dois motores da figura 8.4, um deve ser o motor de rotor bobinado. O outro pode ser o de rotor em gaiola.

QUESTÕES

1) O motor de indução parte se uma fase estiver em aberto ? Por que ?2) O motor de indução continua funcionamento se abrir uma de suas

fases ?3) Como reduzir a corrente de partida de motor de indução.

a – de rotor bobinado?b – de rotor em gaiola?

4) Por que o motor de indução número 2 partiu com uma fase aberta mas com o motor número 1 funcionamento ? (Ver figura 9.4)

5) Como podemos variar a velocidade de um motor de indução de rotor bobinado ? Explicar apenas o processo mais usual.

6) Por que a máquina de indução é também chamada de máquina assíncrona ?

7) No motor de indução trifásico em funcionamento normal temos dois campos magnéticos, o de estator que gira à velocidade síncrona Ns e o de rotor devidos às tensões e correntes induzidas que gira a uma certa velocidade N, ambas em relação a um mesmo referencial parado. Baseado nisto pergunta-se:a – Como obter a velocidade N de função de Ns e Nr ?b – Qual a velocidade relativa entre N e Ns ? Explique o por que dos

resultados encontrados.

10 – MÁQUINA DE INDUÇÃO

I) INTRODUÇÃO

Uma forma de excitar os enrolamentos do estator e do rotor ocorre na máquina de indução, na qual há correntes alternadas nos dois enrolamentos, do estator e do rotor.

A máquina de indução pode ser considerada como um transformador generalizado, no qual ocorre transformação de potência elétrica entre estator e rotor, com mudança de freqüência e com fluxo de potência mecânica. Embora o motor de indução seja o mais comum de todos os motores, a máquina de indução é raramente usada como gerador; suas características de desempenho como gerador não são satisfatórias para

a maioria das aplicações. A máquina de indução pode ser empregada também como conversor de freqüência.

No motor de indução, o enrolamento do estator é semelhante ao da máquina síncrona e da mesma quando for excitado por uma fonte polifásica simétrica, este produzirá no entreferro um campo magnético que gira à velocidade síncrona (Ns) dada por:

p

f120Ns = (1)

f = freqüência aplicada ao estatorp = número de polos do motor

O enrolamento de rotor pode ser de dois tipos;

a) Rotor bobinado ou enrolado : com enrolamento polifásico semelhante ao estator e com o mesmo número de polos. Por ser ligado em estrela ou triângulo. As fases são ligadas geralmente em estrela com as extremidades ligadas à anéis coletores isolados montados sobre o eixo. Por meio de escovas (de grafite ou carvão) os terminais são disponíveis externamente. Neste tipo, o circuito do rotor pode se fechar através de impedâncias externas.

Figura 10.1 - Rotor bobinado com ZFigura 10.1 - Rotor bobinado com Z11, Z, Z22 e Z e Z33 de impedâncias externas. de impedâncias externas.

b) Rotor gaiola de esquilo ou em curto-circuito : Com um enrolamento que consiste de barras condutoras (geralmente de alumínio) encaixadas no ferro do rotor e curto-circuitados em cada extremidade por anéis

condutores. É o mais usado em aplicações gerais devido a sua extrema simplicidade e robustez e principalmente o baixo custo de fabricação. Neste caso, não podem ser introduzidas impedâncias no circuito do rotor.

Figura 10.2 – Rotor gaiola de esquilo.

Funcionamento:

O funcionamento do motor de indução trifásico pode ser resumido assim:

• O estator é ligado a uma fonte de tensão trifásica equilibrada dando origem a um campo magnético girante cuja velocidade é dada pela equação (1). Daí forma-se no rotor fem(s) induzida devido ao movimento relativo existente entre o campo e os condutores do rotor. Estas tensões originam, por sua vez, correntes no circuito fechado do rotor produzindo um campo magnético do rotor. A tendência dos dois campos de se alinharem é que produz o conjugado eletromagnético e a rotação do motor (Nr). Para que as tensões e correntes continuem a ser induzidas no rotor, a velocidade de funcionamento do motor nunca poderá igualar a velocidade síncrona do campo girante de estator (Ns), pois os condutores do rotor estariam imóveis com respeito ao campo do estator, não haveria variação de fluxo e consequentemente nenhuma tensão seria neles induzida.

Assim o rotor “escorrega” a cada instante em relação ao campo

girante do estator sendo à velocidade de escorregamento (ou recuo) dada

pela diferença (Ns – Nr). Daí define-se o escorregamento em porcentagem da velocidade síncrona dado por:

(2) 100% x NS

NrNs%S

−=

Nr – velocidade mecânica do rotorNr – velocidade mecânica do rotorNs – velocidade síncrona do campo estator

Nr = (1 – S) Ns (3)

S – escorregamentoS – escorregamento

Podemos, portanto, estabelecer as seguintes conclusões:

a) Se Nr < Ns, os condutores do rotor são cortados pelo campo girante do estator produzindo um torque motor e o funcionamento como motor de indução (S positivo).

b) Se Nr = Ns, não haverá movimento relativo entre os condutores do rotor e o campo girante do estator e a máquina não funciona nem como motor, nem como gerador; daí a razão de serem chamadas assíncronas (S = 0).

c) Se Nr = Ns, caso em que a máquina de indução é acionada por um órgão propulsor em uma velocidade acima da síncrona, temos o funcionamento como gerador de indução, pois os condutores do rotor são novamente cortados pelo campo girante do estator produzindo agora um torque resistente (S negativo).

Partida dos Motores Trifásicos em Rotor em GaiolaPartida dos Motores Trifásicos em Rotor em Gaiola

No momento em que se liga o estator à linha, desenvolve-se no rotor um f.e.m. induzida, exatamente como no secundário de um transformador; o rotor, está em curto-circuito a corrente que daí resulta é muito intensa. Depois à medida que a rotação do motor aumenta, o rotor

passa a cortar menos linhas de força, dimuindo a f.e.m. induzida e consequentemente a corrente.

O elevado valor que atinge a corrente induzida no rotor no momento do arranque, provoca no estator, ou primário, o consumo de uma grande corrente muito superior à absorvida a plena carga (4 a 7 vezes maior) isto ocasiona uma queda de tensão na rede de alimentação. Por esse motivo é preciso usar, exceto nos motores de pequena potência, um dispositivo que reduza a corrente de arranque (partida).

Como não é possível intercalar resistências no rotor (curto-circuitado), torna-se necessário reduzir a tensão aplicada ao estator. Para isso, pode-se usar um compensador de partida ou uma chave estrela-triângulo.

LIMITES MÁXIMOS DE POTÊNCIA DE MOTORES

Tipo do Motor

Fornecimento Partida Direta

Rotor em Gaiola – Dispositivos Auxiliares de Partida

Motor Monofásico

Tipo No

de Fios

Tensão (V)

Chave Série

Paralelo

Chave Estrela

Triângulo

Compensador de Partida Resistência ou Reatância Primária

Rotor Bobinado

50% 65% 80% 70% 85%Motor A 2 127 2CV xxxxxxx xxxxxxx Xxxxxx xxxxxx xxxxxx Xxxxxx xxxx xxxxxxxx

Monofásico B 3 220 5CV xxxxxxx xxxxxxx Xxxxxx xxxxxx xxxxxx Xxxxxx xxxx xxxxxxxxMotor

TrifásicoD 4 220 5CV 10CV 10CV 10CV 12,5CV 7,5CV 15CV 6CV 10CV

NOTA: 1) – Fonte: ED – 1.3

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS DE PARTIDA

Valores em relação a partida direta (%)Dispositivo Tensão

Aplicada ao Enrolamento

Corrente e Potência

Aparente (1)Conjugado

Aplicação Características

Chave série-paralelo 50 25 25Motores para 4 tensões em que a partida se faça praticamente a vazio

Proporciona baixo conjugado de partida.Necessita de motores para 4 tensões

Chave estrela-triângulo 58 33 33Cargas que apresentam conjugados resistentes de partida até aproximadamente 1/3 do conjugado nominal do motor.

Proporciona baixo conjugado de partida (porém superior a chave série-paralelo)

50 25 25

Chave compensadora (auto-transformador)

65 42 42Cargas com conjugados resistentes de partida próximos da metade do conjugado nominal do motor.

Proporciona um conjugado de partida ajustável as necessidades da carga.

80 64 64

Cargas com conjugado Utilizado quando o conjugado resistente de

Resistência ou reatância primária

70

A

85

70

A

85

70

A

85

resistentes de partida maiores que 1/3 do conjugado nominal do motor. Cargas de elevada inércia.Necessidade de aceleração suave

partida ou a inércia não permitem a utilização da chave Y∆. Proporciona aceleração suave. Produz perdas e aquecimento quando utiliza resistência primária

Motor com rotor bobinado resistência

rotórica100 100 100

Cargas com conjugados resistentes de partida elevados. Cargas de elevada inércia. Cargas que necessitam de controle de velocidade

Permite controle do conjugado na partida, permite controle da velocidade de regime. Apresenta melhor fator de potência na partida (próximo a 70%). Produz perdas e aquecimento na resistência externa.

NOTAS:1) – Potência aparente requerida do alimentador2) – Fonte: ED – 1.3

• Compensador de Partida

A tensão é reduzida mediante um transformador que se intercala entre o motor e a linha e se suprime logo que o motor atinge a sua velocidade plena.

Os transformadores usados para esse fim são sempre atutotransformadores ligados geralmente em V ou raramente em Y.

Nos autotransformadores consegue-se reduzir a corrente de partida com o quadrado da relação de transformação, o que é uma redução significante, já que são construídos para darem relações tais como 0,8; 0,65 e 0,5.

• Chave Estrela-Triângulo

Esta chave pode ser empregada para a partida de motores destinados a funcionar em triângulo.

A tensão nos enrolamentos é reduzida no momento de partida para V/ 3 mediante a ligação dos enrolamentos em estrela.

Partida dos Motores Trifásicos de Rotor BobinadoPartida dos Motores Trifásicos de Rotor Bobinado

Nos motores de rotor bobinado aumenta-se o conjugado de arranque e reduz-se a corrente na partida por meio de um reostado aplicado nos enrolamentos do rotor.

Para partir o motor, liga-se a chave de alimentação e manobra-se lentamente a manivela do reostato de partida até que o motor atinja a

rotação de regime. No último ponto os braços da manivela põem em curto-circuito as resistências e, por conseguinte, os enrolamentos do rotor.

Há motores que são munidos de dispositivo destinado a levantar as escovas depois da partida, ao mesmo tempo que põe em curto-circuito os anéis, passando o motor a trabalhar depois de levar a manivela do reostato ao último ponto. Coloca-se por fim a manivela no ponto morto, para evitar aquecimento no futuro arranque.

Quando o motor não tem dispositivo de levantar as escovas, é necessário deixar a manivela do reostato no último ponto a fim de fechar o rotor em curto-circuito.

Variação da Velocidade dos Motores TrifásicosVariação da Velocidade dos Motores Trifásicos

A variação da velocidade dos motores de rotor em curto-circuito só pode ser obtida modificando-se a freqüência da corrente de alimentação ou o número de pólos. A variação da freqüência não é normalmente possível, e a variação do número de pólos do estator só se pode fazer em motores de construção especial para esse fim, que duplicam ou triplicam a velocidade, porém pequenas variações de velocidade não são possíveis.

No caso de motores de rotor bobinado a diminuição de velocidade pode ser feita, dentro de certos limites, pelo reostato do rotor, deste que as resistências tenham capacidade suficiente para poder ficar no circuito. Esse processo tem o inconveniente de reduzir o rendimento do motor, dada a perda de energia nas resistências do reostato.

II – PREPARAÇÃO

Equipamento: 1 unidade de motor de indução1 unidade de máquina de corrente contínua1 tacômetro

III – EXECUÇÃO: Modo de Operação

1. Acoplar o motor de indução à máquina de corrente contínua;2. Fazer as conexões do motor de indução e da máquina de corrente

contínua conforme a figura 10.3.3. Dar partida ao motor de CC, notar o sentido de rotação e ajustar o

reostato de campo de modo que a velocidade seja 95% da velocidade de

sincronismo do motor de indução e em seguida desligar a alimentação do motor de CC.

4. Dar partida ao conjunto por meio do motor de indução, no mesmo sentido observado no item anterior.

5. Enquanto o conjunto está sendo impulsionado pelo motor de indução, dar partida ao motor de CC e ajustar a velocidade exatamente para a velocidade de sincronismo. Tomar as medidas de: velocidade, tensão, corrente e potência no motor de indução e tensão de linha, corrente de campo no motor de CC.

6. Aumentar a potência fornecida pelo motor de indução à linha de alimentação trifásica em 10 degraus, aumentando até 110% a velocidade. Ler os valores de velocidade, corrente de linha e potência do motor de indução.

NOTA: Durante esta experiência o wattímetro dará indicação invertida (abaixo de zero) quando estiver sendo fornecida potência à linha. Para efetuar as leituras, inverter as ligações da bobina de tensão do mesmo.

Dos dados obtidos nos ítens 5 e 6, calcular:a) Potência de saída do gerador de indução = Ps

b) Fator de potênciaI.E.73,1

Pscos =φ

c) Escorregamento 100 x oSincronism Velocidade

Rotor Velocidade - Sincroismo Velocidade

Figura 10.3

IV – BIBLIOGRAFIA

FITZGERALD, A.E., KINGSLEY Jr. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw Hill do Brasil, 1975.

SEPÚLVEDA, H.L. – Máquinas Elétricas – Guias de Aulas Práticas, Edições Engenharia, 1969.

MARQUES, N.L. – Eletrotécnica, Escola Nacional de Engenharia da Universidade do Brasil, Serviço de Publicações, 1965.

SILVA, H.R. – Eletrotécnica Geral I – II – Parte I, UFMG – Belo Horizonte, Edições Engenharia, 1966.

V – QUESTIONÁRIO

1. Explicar como é possível excitar o estator e o rotor de uma máquina com corrente alternada.

2. Mostre porque o rotor do motor de indução nunca pode atingir a velocidade síncrona.

3. Mostre que os campos girantes do estator e do rotor do motor de indução são estacionários, um em relação ao outro, desde a partida até a velocidade máxima.

4. Por que cerca de 90% dos motores elétricos são de indução e de gaiola de esquilo ?

5. Defina o que é escorregamento nos motores de indução.6. Quais as vantagens do motor de indução de rotor bobinado em relação

ao de gaiola de esquilo ?7. Como reduzir a corrente de partida de motor de indução:

a – de rotor bobinado ?

11 – ENSAIO COM O ROTOR LIVRE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

1. OBJETIVOS :

1.1. Determinar as perdas no ferro do estator = WFe

1.2. Determinar as perdas no cobre do estator = Wenr

1.3. Determinar as perdas por atrito + ventilação.1.4. Determinar os parâmetros do ramo magnetizante Rm, Xm, Zm.1.5. Visualizar a forma de onda da corrente de magnetização.

2. RELAÇÃO DE MATERIAL UTILIZADO :

2.1. Motor de indução2.2. Wattímetro2.3. Amperímetros2.4. Voltímetros2.5. Medidor de r p m2.6. Varivolt trifásico

3. CARACTERÍSTICAS DO MOTOR :

3.1. Pn =3.2. Vn =3.3. In = 3.4. Rotação = 3.5. Número de pólos =

4. MONTAGEM DA EXPERIÊNCIA :

Vide esquema da figura abaixo (Figura 11.1)

Figura 11.1

5. LEVANTAMENTO DOS DADOS DE ENSAIO :

5.1. Para um valor inicial de tensão igual a 120% do valor nominal, diminuí-la gradativamente até que haja grandes variações na velocidade.

V(V) I0(A) W1(W) W2(W) W=W1+W2 rpm

5.2. Com um ohmímetro determinar r1 (resistência de uma das fases do estator), observando se o estator está em ∆ ou Y, corrigindo para 75oC.

Figura 11.2

Figura 11.3

r lido (Ω) r1 (à temperatura ambiente) r1 (Ω) à 75oC

GUIA PARA ANÁLISE:

1. Utilizando os valores obtidos no item 5.1. construir as curvas W0 = f(V) e I0 = f(V).

2. A partir das referidas curvas, determinar:

Won(W) WA+V(W) Wenr= r1 . Ion2 WFe=W0-W(A+V)-Wenr (W)

3. Calcular os parâmetros do ramo magnetizante considerando o circuito paralelo.

Figura 11.4

A menos de um pequeno erro A menos de um pequeno erro δδ = 0 = 0

0

2

1

2

1110

2

1

2

111 I xrVEI.xrEV +−=⇒++=

≡ V1 ≡ tensão nominal do ensaio (valor de fase) = (V)≡ r1 ≡ resistência do estator por fase à temperatura do funcionamento

nominal do motor = (Ω)≡ x1 ≡ obtido do ensaio com o rotor bloqueado = (Ω)≡ I0 ≡ corrente de magnetização (valor de fase) = (A)

E1 =

Fe

2

1m W/ER = Por fase Zm = E1/I0

2

m

2

m

mmm

Z.R

R.ZX =

PERGUNTAS:

1. Porque no ensaio a vazio não existem perdas no ferro do rotor ?2. Deduzir a expressão para o cálculo de Xm e Rm se o circuito escolhido

para o ramo magnetizante fosse o série.3. Na curva I0 = f (V), qual o motivo do acréscimo da corrente para um

decréscimo de V, a partir de um certo valor da tensão para a qual a rotação cai ?

4. Baseando no circuito equivalente do MIT, justificar a razão do baixo fator de potência do mesmo, quando opera vazio.

12 - ENSAIO COM O ROTOR BLOQUEADO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar as perdas joule no estator e rotor Wjoule.1.2. Determinar os parâmetros do circuito equivalente R1, X1, r’2, x1, x’2p, r2

e x2.

2. RELAÇÃO DE MATERIAL

2.1. Motor de indução2.2. Wattímetro2.3. Amperímetros2.4. Voltímetros2.5. Varivolt trifásico

3. CARACTERÍSTICAS DO MOTOR

Mesmo motor do ensaio com o rotor livre.

4. MONTAGEM DA EXPERIÊNCIA


5. LEVANTAMENTO DOS DADOS DE ENSAIOS

5.1. Mantendo o rotor bloqueado, aplica-se tensão gradativamente até que circule a corrente nominal e anotar os valores abaixo.

Vicc(nom) I1 nom(A) W1(W) W2(W) Wjoule=W1+W2

5.2. Cálculo dos parâmetros

Figura 12.2

fase/I

fase/WR

2

n1

joule

1 = - R1 =

fase/I

fase/VZ

n1

cc11 = - Z1 =

2

1

2

11 RZX −= - X1 =

R1(Ω)tamb Z1(Ω)tamb X1(Ω) R1(Ω)75o Z1(Ω)75o

5.3. Cálculo de r’2

R1 = r1 + r’2 → r’2 = R1 – r1 ⇒ r’2 = 75oC

5.4. Cálculo de x1 e x’2p

−′

=2

p2

1

1

r

x

r

x

Propriedade das proporções

21

1

p21

11

p2

1

rr

r

xx

x

r

r

x

x′+

=′+

⇒′

=′ -

=⇒=⇒= 11

1

11

1

1

1

1 xX.R

rx

R

r

X

x

2p11p2p211 x xXxxxX ′⇒−=′⇒′+=

5.5. Cálculo de r2 e x2p – Só possível para MIT com rotor em anéis.

5.5.1. Cálculo de E2p

Aplica-se tensão nominal ao estator, abrindo-se o circuito do rotor.

3

VE lido

p2 =

E2p =

Figura 12.3

5.5.2. Cálculo de E1

0

2

1

2

111 I.xrVE +−=

E1 = VV1 ≡ tensão nominal (valor de fase)I0 ≡ corrente de magnetizações (valor de fase)

5.5.3. Cálculo de r2

=⇒

′= 2

2

1

p2

22 r E

E.rr

5.5.4. Cálculo de x2p

=⇒

′= 2p

2

1

p2

p2p2 x E

E.xx

13 – MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA – IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS

Identificação dos Terminais de uma Máquina de Corrente Contínua

1. OBJETIVO

Procedimento prático para o conhecimento de como identificar os terminais de uma máquina de corrente contínua.

2. INTRODUÇÃO

Se a máquina de corrente contínua possuir uma placa com os bornes terminais, o problema consiste na simples leitura. É o caso das máquinas do laboratório, cuja placa é reproduzida a seguir.

Figura 13.1

Os bornes A e B correspondem aos terminais do circuito de armadura, de onde é aplicada e/ou retirada a tensão terminal. Os pontos G e H são terminais dos pólos de comutação. Sempre que o gerador/motor estiver operando em carga, B deve-se estar “em curto” com G, e a carga recebendo alimentação entre A e H. Isto coloca o enrolamento do polo de comutação em série com a carga para redução do efeito de reação da armadura. Os bornes E, E1 e F pertencem ao campo série, que é dividida pelo borne E em duas frações, podendo ser utilizada cada uma delas ou todo o campo. Os bornes restantes são do campo shunt, ou para a máquina funcionar com excitação independente, os bornes CD serão os terminas do campo. Como a máquina do laboratório possui quatro pólos, os terminais CD1 D2D3, D4D5, D6D são as frações do campo excitados sobre cada polo. Assim, para funcionamento do campo shunt ou do campo independente excitado, os enrolamentos dos pólos devem ser ligados em série, o que se consegue curto-circuitando D1 com D2, D3 com D4 e D5 com D6. A alimentação do campo é então feita pelos terminais C e D. As ligações são facilitadas pelo uso de plaquetas que se ajustam aos bornes.

Se, entretanto, a máquina não possuir uma placa de identificação dos terminais, isto só poderá ser feito através da determinação dos bornes de cada circuito e da comparação dos valores de resistência de cada um. Toda a operação pode ser feita com auxílio de um ohmímetro comum e o procedimento para tal é justamente o objetivo deste ensaio.

PROCEDIMENTO PRÁTICO PARA A IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS

3.2. Separar os bornes pertencentes a um mesmo circuito, usando para tal o teste de continuidade. Se entre dois bornes a resistência não for infinita, eles pertencem a um mesmo circuito.

3.2. Medir a resistência de cada circuito, o que apresentar maior resistência será o circuito do campo shunt, nestas condições, anotar o valor destas resistências para a máquina do laboratório.

RSH = Ω

3.3. Levantar as escovas do coletor e verificar qual dos circuitos perde a continuidade , este será o circuito de armadura, nestas condições, meça a resistência de armadura da máquina do laboratório.

Ra = Ω

3.4. Colocando-se um dos pólos do ohmímetro ligado no próprio enrolamento do polo de comutação, verificamos com quais bornes existe a continuidade no circuito, estes bornes serão do polo de comutação, nestas condições, meça a resistência do polo de comutação da máquina do laboratório.

Rpc = Ω

3.5. Os bornes restantes, por exclusão, pertencerão ao campo série, nestas condições, medir a resistência do campo série, ou seja:

Rs = Ω

3.6. Fazer uma tabela comparativa entre os valores de resistência dos campos série, shunt, armadura e pólos de comutação.

CONCLUSÕES

4.1. Justificar o item 3.24.2. Justificar os itens 3.3, 3.4 e 3.5

14 – MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

1. INTRODUÇÃO

Uma característica destacada da máquina de corrente contínua (MCC) é sua versatilidade. Por meio de várias combinações de enrolamentos campo série, derivação e excitação independente, ela pode ter uma ampla variedade de características tensão-corrente ou velocidade-conjugado, para operação dinâmica e em regime permanente.

Devido à facilidade com que pode ser controlado o motor de CC é freqüentemente usado em aplicações que requerem uma ampla faixa de velocidade ou controle preciso da saída do motor.

Quando funciona como gerador, embora o objetivo seja a geração de tensão contínua, é evidente que uma tensão de velocidade gerada em uma bobina da armadura é uma tensão alternada. A forma de onda alternada precisa portanto se retificada. A retificação mecânica é provida pelo comutador, que é um cilindro formado de lâmina de cobre isoladas entre si e montadas sobre o eixo do rotor.

Se corrente contínua circular pelo circuito externo ligado às escovas, será criado um conjugado pela interação dos campos magnéticos do estator e rotor. Se a máquina estiver agindo como gerador, este conjugado eletromagnético gira na direção de rotação.

O enrolamento de armadura de uma MCC está no rotor e a corrente é conduzida ao enrolamento por meio de escovas. O enrolamento de campo são os seguintes.

Os dois tipos básicos de enrolamento do rotor (armadura) da MCC são os seguintes:

A – Imbricado ou Paralelo – A aparência é de folhas superpostas. Caracteriza-se eletricamente pela ligação dos extremos de uma mesma bobina à lâmina do comutador próximas entre si.

O número de escovas nas máquinas com enrolamento imbricado deve ser obrigatoriamente igual ao número de pólos.

Os enrolamentos imbricados são normalmente usados em máquinas de altas correntes.


B – Ondulado ou Série – A aparência é de uma onda. Caracteriza-se eletricamente pela ligação dos extremos de uma mesma bobina a lâminas distanciadas de aproximadamente 2 passos polares medidos em lâminas do comutador.

Passo polar em lâminas do comutador + (No de lâminas)/(P)O número de escovas nas máquinas com enrolamento ondulado

pode ser menor que o número de pólos. O número mínimo de escovas é 2. Em máquinas que é impossível a colocação de um número de escovas igual ao número de pólos o enrolamento ondulado é obrigatório.

Os enrolamentos ondulados são normalmente em máquinas de baixas correntes.


FuncionamentoFuncionamento

A MCC é uma máquina elétrica girante capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em energia mecânica (motor). Para o gerador, a rotação é suprida por uma máquina primária (fonte de energia mecânica) para produzir o movimento relativo entre os condutores e o campo magnético da MCC, para gerar energia elétrica. Para o motor, a energia elétrica é suprida aos condutores e ao campo magnético da MCC, a fim de produzir o movimento relativo entre eles e, assim, obter energia mecânica. Em ambos os casos nós temos movimento relativo entre um campo magnético e os condutores na MCC.

Funcionamento do ComutadorFuncionamento do Comutador

O propósito do comutador e suas lâminas associadas é:

1. No caso de cada gerador, mudar a corrente alternada gerada para corrente contínua externa.

2. No caso de um motor, mudar a corrente contínua externa aplicada em corrente alternada, à medida que os condutores se movem alternativamente sob pólos opostos (para produzir rotação no mesmo sentido).

3. Permitir a transferência de corrente entre uma armadura móvel e escovas estacionárias.

Tipos de Geradores CCTipos de Geradores CC

Os geradores classificam-se quanto ao tipo de excitação em:

A) Geradores de excitação separada ou independente.B) Geradores de excitação própria ou auto-excitado.

Geradores de excitação separada são aqueles em que o campo (ou indutor) é alimentado por uma fonte de corrente contínua externa.

Quando o indutor é alimentado pela própria corrente gerada na máquina, o gerador é chamado de excitação própria ou auto excitado. Os geradores auto-excitados podem ser classificados em:

A) Gerador de excitação em derivação (Shunt)B) Gerador de excitação sérieC) Gerador de excitação composta

Motores de Corrente ContínuaMotores de Corrente Contínua

Qualquer dos métodos de excitação empregados para geradores pode também ser utilizado para motores. As características típicas de regulação de velocidade em regime permanente são mostradas na figura abaixo, na qual se supõe que os terminais do motor são alimentados por uma fonte de tensão constante.


Uma destacada vantagem do motor derivação é a facilidade de controle de velocidade. Com um reostato no circuito de campo em derivação, a corrente de campo e o fluxo por pólo podem ser variados à vontade. Uma faixa máxima de velocidade de cerca de 4 a 5 para 1 pode ser obtida por este método, com a liberação imposta pelas condições de comutação.

No motor série, cada aumento na carga é acompanhada por um aumento correspondente na corrente e fmm de armadura e no fluxo de campo do estator (desde que o ferro não esteja completamente saturado). Se uma carga mecânica relativamente pequena é aplicada ao eixo da

armadura de um motor série, a corrente de armadura IA é pequena resultando numa elevada velocidade não usual. Por esta razão o motor série nunca deve operar à vazio.

No motor composto, o campo série pode ser aditivo, de modo que sua fmm se adiciona àquela do campo derivação; ou subtrativo de modo que ela se opõe. A ligação subtrativa é raramente usada. Um motor composto aditivo tem uma característica de velocidade-carga intermediária entre as do motor derivação e do motor série.

Dispositivo de Partida para Motores de Corrente ContínuaDispositivo de Partida para Motores de Corrente Contínua

A fcem no instante da partida é nula, pois esta é proporcional à velocidade que é zero na partida. Assim a corrente de partida é limitada apenas pela resistência da armadura e pela queda de tensão nos contatos das escovas:

I = (Va - ∆V)/Ra,

onde:I = corrente de partidaVa = tensão de partida∆V = queda nas escovasRa = resistência da armadura

O resultado é uma elevada corrente de partida. O que se requer então, é um dispositivo cujo propósito é limitar a corrente durante o período de partida e cuja resistência pode ser progressivamente reduzida à medida que o motor adquire velocidade, usualmente um reostato contínuo ou com tapes.

A maneira pela qual o dispositivo de partida é usado junto com os três tipos básicos de máquinas de CC, empregados como motores é mostrada na figura abaixo.

(a) Dispositivo de partida de motor-shunt.

(b) Dispositivo de partida de motor-série.

(c) Dispositivo de partida de motor composto.

Figura 14.4 – Conexões esquemáticas de dispositivos de partida deFigura 14.4 – Conexões esquemáticas de dispositivos de partida de motores shunt, série e compostos.motores shunt, série e compostos.

OperaçõesOperações: Identificar a máquina de CC e dar a partida utilizando-se de: Identificar a máquina de CC e dar a partida utilizando-se de pelo menos duas opções de campo de excitação.pelo menos duas opções de campo de excitação.

1. Dar partida ao motor observando-se que:a) O reostado de campo de estar na posição de mínima resistênciab) A resistência do reostato de partida D deve estar toda inserida no

circuito no início da partida e deve ser gradualmente retirada do circuito à medida que o motor adquire velocidade.

2. Ligar o geradora) Colocar o reostato de campo do gerador na posição de máxima

resistência.b) Atuar no reostato de campo do gerador até que se obtenha a tensão

nominal.

3) Leiturasa) Atuar no reostato de campo do motor para variar a velocidade.b) Para cada velocidade fazer a leitura de E correspondente ao voltímetro

V.

Segunda Parte: Medida da Resistência dos Enrolamentos da MCC

A) Campo Paralelo (RP)

Alimente os terminais do campo paralelo (F1 e F2) com CC (Imáx

= 2A) e registre o valor da tensão lida nos terminais, conforme figura abaixo:


Faça 3 leituras de tensão e corrente e encontre a média para a determinação de RP.

B) Campo Série (RS)

Alimente os terminais do campo série (S1 . S2) com CC (Imáx = 10A) e registre o valor da tensão lida nos terminais conforme a figura abaixo:


Faça 3 leituras de tensão e corrente e encontre a média para a determinação de RS.

C) Armadura (RA)

Alimente os terminais da armadura (A1 . A2) com CC (Imáx = 10A) e registre o valor da tensão lida nos terminais conforme a figura abaixo:


Faça 3 leituras de tensão e corrente e encontre a média para a determinação de RA.

QUESTIONÁRIOQUESTIONÁRIO

1. Porque o enrolamento de armadura da MCC se localiza no rotor ?2. Explique o funcionamento da MCC.3. Descreva a comutação, detalhando cada etapa do processo.4. Por que o motor série não pode partir à vazio ?5. Que fatores levam à escolha de um motor CC ( e não de um motor de

indução, por exemplo) para determinado acionamento ?6. É possível aumentar a velocidade do motor CC com controle pela

armadura ? Explique .7. Por que é recomendável a retirada do dispositivo de partida após a

entrada do motor em regime permanente ?8. Como é possível a obtenção de tensão contínua a partir da corrente

alternada gerada na armadura em um gerador CC ?

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

FITZGERALD, A.E.; KINGSLEY, C. Jr.; KUSKO, A. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, 1975.

KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores, Porto Alegre, Editora Globo, 1979.

Catálogo WEG – Aplicação e Seleção de motores de corrente contínua.Máquinas Elétricas – Guia de aulas práticas – UFMG.

15 – MÁQUINAS SÍNCRONAS

1. INTRODUÇÃO

Em uma máquina síncrona com raras exceções, o enrolamento de armadura está no estator, e o enrolamento de campo está no rotor. O

enrolamento de campo é excitado por corrente contínua, levada até ele por meio de escovas de carvão, apoiadas sobre anéis coletores. Usualmente, os fatores estruturais ditam esta orientação; é vantajoso ter o enrolamento do campo, de baixa potência, sobre o rotor.

É uma máquina de corrente alternada, cuja velocidade em condições de regime permanente é proporcional à freqüência da corrente na armadura. À velocidade síncrona, o campo magnético girante, criado pelas correntes da armadura caminha à mesma velocidade que o campo criado pela corrente de campo, e resulta um conjugado constante. A freqüência em ciclos por segundo (Hertz) é igual à velocidade do rotor em rotações por segundo; isto é, a freqüência elétrica esta sincronizada com a velocidade mecânica, e esta é a razão para a designação de MÁQUINA SÍNCRONA.

Quando uma máquina tem mais de que 2 pólos, é conveniente concentrar a atenção sobre um único par de pólos, e reconhecer que as condições elétricas, magnéticas e mecânicas associadas a qualquer outro par de pólos são repetições daquelas para o par em consideração. Por esta razão, é conveniente expressar ângulos em graus elétricos ou radianos elétricos em lugar de unidades mecânicas:

m2

Pe θ=θ

onde:

θe = ângulo em unidades elétricasθm = ângulo mecânicoP = número de pólos

A tensão de bobina de uma máquina de P pólos passa por um ciclo completo toda vez que um par de pólos passa por ela, ou P/2 vezes cada rotação. A freqüência da onda de tensão é, portanto,

;60

n

2

Pf =

n = velocidade mecânica em rpmn/60 = velocidade em rotação por segundo

A freqüência angular W da onda de tensão é:

Wm2

PW =

onde: Wm = velocidade mecânica em radianos por segundo.

Os rotores de uma máquina síncrona de pólos girantes, podem ser:

a) De pólos salientesb) De pólos lisos ou cilíndricos.

Uma construção de pólos salientes é característica de geradores hidrelétricos porque as turbinas hidráulicas funcionam com velocidade relativamente baixas, e um número relativamente grande de pólos é necessário para produzir a freqüência desejada; a construção de pólos salientes adapta-se mais, mecanicamente, a esta situação.

As turbinas a vapor e as turbinas a gás, por outro lado, funcionam melhor com velocidades relativamente altas, e os alternadores acionados por turbinas, ou turbogeradores, são comumente máquinas de 2 ou 4 pólos com rotor cilíndrico.

GERADORES SÍNCRONOS E MOTORES SÍNCRONOSGERADORES SÍNCRONOS E MOTORES SÍNCRONOS

Com poucas exceções, os geradores síncronos são máquinas trifásicas, devido às vantagens dos sistemas trifásicos para a geração, a transmissão e a utilização de grandes potências.

Quando um gerador síncrono supre potência elétrica a uma carga, a corrente na armadura cria uma onda de fluxo no entreferro, que gira à velocidade síncrona. Este fluxo reage com o fluxo criado pela corrente de campo e resulta daí um conjugado eletromagnético, devido à tendência dos dois campos magnéticos se alinharem. Em um gerador, este conjugado se opõe à rotação, e a máquina motriz deve aplicar conjugado mecânico a fim de sustentar a rotação.

Correspondente ao gerador síncrono, temos o motor síncrono. A corrente alternada é fornecida ao enrolamento de armadura, (usualmente o

estator) e a excitação de corrente contínua é suprida ao enrolamento de campo (usualmente o rotor). O campo magnético das correntes de armadura gira à velocidade síncrona. Para produzir um conjugado eletromagnético permanente, os campos magnéticos do estator e rotor precisam ser constantes em amplitude e estacionários com respeito um ao outro. Em um motor síncrono, a velocidade de regime permanente é determinada pelo número de pólos e a freqüência da corrente de armadura. Assim, um motor síncrono alimentado por uma fonte de CA de freqüência constante precisa girar a uma velocidade constante em regime permanente.

Em um motor, o conjugado eletromagnético está na direção de rotação e equilibra o conjugado oponente exigido para mover a carga mecânica.

MÁQUINAS SÍNCRONAS EM PARALELOMÁQUINAS SÍNCRONAS EM PARALELO

Alternador: É um gerador síncrono de corrente alternada que por indução eletromagnética transforma a energia mecânica em elétrica, sob a forma de corrente alternada, cuja freqüência para uma dada máquina, depende exclusivamente da rotação.

VANTAGENS DA LIGAÇÃO DOS ALTERNADORES EM PARALELOVANTAGENS DA LIGAÇÃO DOS ALTERNADORES EM PARALELO

1. Várias unidades pequenas permitem um serviço mais flexível que uma única unidade, pois se uma unidade ficar, eventualmente, fora de serviço, não se é obrigado a interromper todo o fornecimento de energia.

2. As unidades podem ser ligadas ou desligadas à medida que aumenta ou diminui a solicitação. Assim todas as máquinas trabalharão próximo à plena carga, o que aumenta o rendimento da operação.

3. A central geradora sendo constituída de mais de uma unidade, torna-se possível a manutenção preventiva e de emergência sem grande perturbação no sistema. A perturbação será tanto menor quanto maior for o número de unidades.

4. A medida que a demanda do sistema aumenta, novas unidades podem ser instaladas nas centrais, segundo etapas de construção previstas.

CONDIÇÕES PARA A LIGAÇÃO EM PARALELOCONDIÇÕES PARA A LIGAÇÃO EM PARALELO

As condições que devem ser verificadas para a associação dos alternadores em paralelo são:1. A igualdade de tensões é verificada por meio de voltímetros.2. A igualdade de freqüências é verificada por meio de frequencímetros.3. Para verificar se as seqüências das fases estão na mesma ordem

poderemos adotar um dos seguintes processos:a – Por meio de lâmpadas: ligam-se três lâmpadas L1, L2 e L3 como indica

a figura.

Figura 15.1- Verificação da seqüência de fases por meio de lâmpadas.

Depois de levar as tensões ao mesmo valor e as freqüências a valores iguais ou próximos (velocidade de regime), as três lâmpadas devem se acender e apagar ao mesmo tempo. Se as fases estão ligadas incorretamente, as lâmpadas se apagam e acendem desencontradamente; neste caso é necessário trocar a ligação de duas fases do alternador ao barramento.

b – Por meio de um motor trifásico: Alimenta-se o motor com um alternador e depois com outro. Se o sentido de rotação for o mesmo, as fases estão na mesma ordem; se não for, deve-se trocar a ligação de duas fases de um dos alternadores com o barramento.

c – Por meio de um indicador de seqüência de fase.

4. Para verificar se há concordância de fases, poderemos adotar um dos seguintes processos:

a) Por meio de lâmpadas , (figura 15.2 e 15.3)

Figura 15.2 – Indicador de concordância de fases empregando duas lâmpadas;

a) lâmpadas apagadas; b) lâmpadas acesas.

Ligam-se duas lâmpadas entre fases idênticas (figura 15.2a) ou entre fases diferentes (figura 15.2b). No primeiro caso faz-se a associação no momento em que as lâmpadas estão apagadas; no segundo caso, quando acendem com o máximo brilho. Este último tem o inconveniente de não se poder precisar o momento exato da concordância de fases, devido ao ofuscamento.

Em vez de indicador monofásico, pode empregar-se o indicador tipo fogo girante, que se compões de três lâmpadas. A lâmpada L1 é ligada entre duas fases idênticas e as outras duas L2 e L3 são ligadas entre fases diferentes.

Estas lâmpadas apagam e acendem uma após a outra, dando a impressão de uma luz girante. Quando as máquinas estão longe do sincronismo, as lâmpadas acendem e apagam com grande rapidez; é então necessário regular a velocidade do alternador a associar, até se notar a maior lentidão possível no acender e no apagador das lâmpadas. A associação deve ser feita no momento em que a lâmpada L1 apagar.

Figura 15.3 – Indicador de concordância de fase tipo fogo girante (com 3 lâmpadas).

b) Por meio do sincroscópio : Aparelho que indica o momento exato de oposições de fases bem como a igualdade de freqüências.

5. A verificação da semelhança das ondas de tensão é feita por meio de um osciloscópio.

MÉTODOS DE PARTIDAMÉTODOS DE PARTIDA

Os motores síncronos monofásicos não partem por si só, assim como os trifásicos o que resulta ser necessário um órgão auxiliar de partida para os motores síncronos

SEQÜÊNCIA DE OPERAÇÕES PARA A PARTIDASEQÜÊNCIA DE OPERAÇÕES PARA A PARTIDA

1. Curto-circuita-se o campo do motor síncrono com uma resistência, afim de reduzir o valor da tensão induzida.

2. Põe-se o motor síncrono a girar por um dos métodos abaixo3. Quando um rotor atingir a velocidade de sincronismo, retira-se a

resistência do campo, estabelece-se a corrente contínua no indutor e retira-se a máquina auxiliar.

O motor síncrono não tem conjugado de partida. Assim o motor deve se acionado até a velocidade síncrona.

Há dois métodosHá dois métodos

1. Por um motor auxiliar, acoplado ao eixo do motor síncrono que o aciona a velocidade síncrona e aí é sincronizado com a rede. Para isto o motor síncrono não deve ter carga na partida, senão o motor auxiliar teria que ter uma potência elevada.

2. Usando um enrolamento amortecedor que funciona como enrolamento em gaiola. O motor síncrono parte como se fosse um motor de indução. Por esse processo ele atinge uma velocidade próxima da síncrona (8 a 99%). Se então aplicarmos corrente no campo ele entrará em sincronismo.

GERADOR SÍNCRONOGERADOR SÍNCRONO

1. Objetivo : Analisar o princípio de funcionamento de um gerador síncrono e de um motor síncrono.

2. Procedimento :• Execução do Ensaio• Montar o esquema da figura abaixo

Figura 15.4

Para uma rotação igual à velocidade síncrona a freqüência da onda de tensão induzida será de 60 Hz. Excitando adequadamente o alternador, teremos uma tensão induzida de módulo e freqüência bem definidos.

AnáliseAnálise

1. Varie a velocidade da MCC (através do reostato de campo) e observe a freqüência da onda de tensão.

2. Varie a excitação do GS e observe o que acontece.3. Justifique as variações obtidas.

3. Material Utilizado

• 1 máquina síncrona• 1 máquina de corrente contínua e seus acessórios• 1 medidor de rpm• 1 voltímetro• 1 freqüencímetro• Fonte DC para excitação da máquina síncrona

4. Bibliografia

FITZGERALD, A.E., KINGSLEY, Jr. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, 1975.

MARQUES, Prof. Nédio Lopes – Máquinas Elétricas e Transformadores, Escola Nacional de Engenharia da Universidade do Brasil – Serviço de Publicações, 1965.

SEPULVEDA, Prof. Hugo Luiz – Máquinas Elétricas, UFMG – BH – MG, Edições Engenharia, 1969.

5. Questões

1. Porque o enrolamento de campo de uma máquina síncrona geralmente é no rotor ?

2. Porque a máquina síncrona é largamente utilizada como gerador e tem um emprego relativamente baixo como motor ?

3. Quais as diferenças entre um rotor de pólos lisos e rotor de pólos salientes? Porque os rotores de geradores hidrelétricos geralmente são de pólos salientes ?

4. Quais são as vantagens do funcionamento de geradores síncronos em paralelo ?

5. O que é e para que se usa enrolamento amortecedor na fase dos pólos das máquinas síncronas ?

6. Explicar porque nas máquinas síncronas os campos do estator e do rotor são estacionários um em relação ao outro.

7. O que é limite de estabilidade da máquina síncrona. Como se pode verificar, praticamente, este limite funcionando a máquina como gerador e como motor.

8. De quais maneiras é possível aumentar o limite de estabilidade de uma máquina síncrona.

16 – MOTORES MONOFÁSICOS

A – INTRODUÇÃO

Uma grande aplicação para a conversão eletromecânica de energia, diz respeito aos motores de corrente alternada de pequena potência. São motores cuja potência é especificada em fração de cavalo-vapor, que fornecem energia para todos os tipos de equipamentos na casa, escritório, fábricas, etc. São motores projetados para uma aplicação específica e utilizados, normalmente, em linhas monofásicas.

Embora de construção relativamente simples são consideravelmente mais difíceis de analisar do que os motores trifásicos maiores. Às vezes o seu projeto é desenvolvido a partir da construção e ensaio de motores protótipos, até conseguir o desempenho desejado. Programas de projeto por computador tem o objetivo de realizar, no papel, projetos mais exatos reduzindo a quantidade de tentativas para obter o desempenho desejado.

Um motor monofásico de indução é estruturalmente igual a um motor polifásico, apenas possui um único enrolamento indutor.

B – PRINCÍPIO DO MOTOR MONOFÁSICO

Liguemos a uma fonte monofásica duas bobinas montadas em série, como indica a figura 16.1. Entre estas duas bobinas, coloquemos um rotor do tipo gaiola de esquilo. Constatamos que ele permanece imóvel. Se giramos o rotor em um sentido, ou no outro, ele continua a

girar (Aplicação da Lei de Lenz). Podemos concluir que o motor monofásico não parte sozinho mas gira no sentido em que se dá a primeira rotação do rotor. Na prática estes motores se chamam motores assíncronos monofásicos, de fase auxiliar. Eles são fabricados para potências inferiores a 1 HP. São robustos, de baixo rendimento, e não suportam sobrecargas.


B.1 – Motor Assíncrono Monofásico com CondensadorB.1 – Motor Assíncrono Monofásico com Condensador

Retomemos nosso pequeno motor e disponhamos em cruz com as bobinas 1 e 2, duas outras bobinas 3 e 4, com um condensador e alimentadas em paralelo com as bobinas 1 e 2. Constatamos que o motor parte e sempre em um sentido. Podemos interromper o circuito das bobinas 3 e 4 e o motor continua a girar.


Porque o motor parte sozinho ?

O condensador defasa a corrente adiantando-o sobre a tensão no circuito das bobinas 3 e 4, por conseguinte, os campos magnéticos das bobinas 1 e 2 e as duas bobinas 3 e 4 ficam defasados de 1/4 de período, um em relação ao outro. Estes dois campos magnéticos se compõem e sua resultante produz um campo girante. No rotor aparecem correntes induzidas e este passa a ser arrastado pelo campo do estator. As bobinas 1 e 2 se chamam fase principal. As bobinas 3 e 4 se chamam fase auxiliar.

B.2 – Na prática o estator é bobinado como o de um motor trifásico

Duas bobinas são ligadas em série com o circuito da fase auxiliar e, quando o motor atinge sua velocidade normal, elas são eliminadas por um interruptor normal, ou por um interruptor centrífugo, para um motor de 1/2 HP – 110 volts, a capacidade de condensador é de 130 microfarads aproximadamente.


B.3 – Os motores monofásicos de potência compreendida entre 10 a 15 HP, são munidos de 2 condensadores. Um serve para a partida e o outro permanece no circuito da fase auxiliar, durante o funcionamento normal. O sentido de rotação pode ser invertido, trocando-se as conexões da bobina auxiliar com as bobinas de trabalho.


B.4 – Motor Monofásico com Coletor

Estes são também chamados universais, por que funcionam igualmente sob corrente alternada ou corrente contínua, desde que a tensão de alimentação seja a mesma. Podem atingir grande velocidade (de 3.000 a 7.000 rotações por minuto), mas seu rendimento é péssimo. Eles são construídos para pequenas potências. (Frações de HP). São utilizados para equipar aparelhos eletrodomésticos, pequemos ventiladores, aspiradores de pó, secadores de cabelos, etc...

C – MOTORES MONOFÁSICOS – PARTIDA

Como já foi dito os motores monofásicos não partem por si só, uma vez que o campo produzido por uma só fase não é girante. É necessário portanto um dispositivo auxiliar para a partida.

Um dos métodos usados para se obter um campo girante, com uma só fase, acha-se representado na figura 16.5.


O motor é enrolado em forma bifásica sendo que os dois enrolamentos apresentam características diferentes, de resistência e reatância.

Na prática, faz-se um enrolamento com fio grosso (fio B enrolamento principal), e o outro com fio (fio A enrolamento auxiliar ou de partida). Devido às diferentes relações de resistência e reatância dos enrolamentos, as correntes que nele circulam estarão defasadas de um ângulo M. Ia pode ser decomposta em duas componentes, figura 16.6. Ia

sem M em avanço de 90o sobre Ib e Ia cosM em fase com Ib. Quando as correntes nas duas bobinas A e B estão em fase, elas produzem um campo resultante alternativo que não gira e, portanto não produz nenhum conjugado de partida. Em conseqüência, a combinação de Ia.cosM e Ib, não produz conjugado. Portanto o conjugado de partida é devido a Ia senM e Ib atuando conjuntamente.


Depois do rotor ter atingido a velocidade de regime podemos desligar o campo auxiliar, que o motor continuará em funcionamento, devido a seguinte razão:

Quando uma corrente alternada circula no enrolamento B, produz-se um fluxo alternativo que equivale a dois campos magnéticos girantes ϕx e ϕy que têm a mesma intensidade e giram em sentidos opostos com a mesma velocidade. ( Teorema de Maurice Leblanc).

Suponhamos o motor girando no sentido de ϕx com a velocidade n = (1 – s)ns. A freqüência da corrente induzida por ϕx será então:

f' = p(ns – n)

onde:

ns – n é velocidade com que as barras cortam o campo nx.

Então,

s.fn

)nn(pn)nn(pf s

ss =−=−=′

Como o valor de s é muito pequeno, a freqüência é muito pequena e a reatância oferecida a essa corrente será x’ = 2π f’L, que tem um valor baixo devido ao baixo valor de f’.

As barras cortarão o campo hy com a velocidade ns + n. A freqüência da corrente induzida por ϕy será:

f" = p(ns + n)

Como n é muito pouco menor que ns podemos tomar n = ns o que dá:

f" = 2Pns = 2f.

Sendo a freqüência dessa corrente igual ao dobro da freqüência f, a reatância oferecida será:

X” = 2∏ f” L = 4∏ fL, que tem um valor elevado.

Então, o motor ficaria sujeito a dois torques: um Tx devido a corrente Ix e outro Tg, atuando em sentido contrário. Como a reatância X’ é muito pequena e a reatância X” muito grande, o fator de potência da corrente Tx será grande e o fator de potência de Ty será muito pequeno. Portanto, o torque Tx terá um valor apreciável e o torque Ty um valor desprezível. Nestas condições o rotor gira no sentido do torque Tx, devido ao campo hx.

C.1 – Aumento do Conjugado de Partida

Pode-se obter melhores condições de partida intercalando-se uma resistência, reatância ou capacitância em série com o enrolamento auxiliar. Obtém-se assim um ângulo de defasamento maior entre as correntes Ib e Ia, ao que corresponde um aumento do conjugado de partida.

C.2 – Motores de Indução com Condensador de Partida

Na prática prefere-se usar um condensador em série com o enrolamento de partida, pois com condensador pode-se obter maior defasamento que com resistência ou reatância.

O ângulo de fase entre Ia e Ib depende do valor da capacitância e pode ser feito praticamente igual a 90o na partida. Quando o motor aumenta de velocidade, variam as correntes no rotor e no estator e o ângulo M. Para se manter M igual a 90o seria necessário diminuir continuamente a capacitância. Isto, entretanto, não é necessário, visto que com um capacitor adequado consegue-se conjugado igual a cerca de 3,5 vezes o conjugado de plena carga, para velocidades entre 0 e 70% da velocidade de sincronismo. Quando o rotor atinge aproximadamente 75% desta velocidade um dispositivo centrifugo desliga o enrolamento auxiliar. O motor passa então a trabalhar como foi explicado anteriormente.


Há duas razões para se desligar o condensador quando o motor adquire velocidade.1. A capacitância que permite conjugado máximo na partida é muitas

vezes maior do que a que permite máximo conjugado em carga: como exemplo, um motor de 1/2 HP, 110 volts, necessita de um capacitor de 230-280 µF para um elevado conjugado de partida. O mesmo motor,

para funcionamento normal como bifásico, necessita de um capacitor de apenas 15 µF.

2. Desligando-se o condensador logo depois da partida pode-se usar dois condensadores eletrolíticos ligados em oposição o que é mais econômico do que usar outro tipo de condensador.

A característica principal do condensador eletrolítico é que para uma polaridade da corrente ele funciona como condensador e para a outra polaridade funciona como resistência. Assim, os dois condensadores ligados em oposição funcionam de maneira que num semi-ciclo da corrente um deles é condensador e o outro resistência, e no outro semi-ciclo inverte-se o processo. Devido a essa característica de funcionamento o condensador eletrolítico tem altas perdas. Então, caso fique ligado muito tempo, ele se aquece exageradamente, produzindo gases e destruindo-se. O condensador eletrolítico portanto, só serve para funcionamento intermitente durante pequenos espaços de tempo, normalmente de um minuto.

C.3 – Motores de Indução com Compensador de Partida e Condensador de Macha

Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar nunca, é desligado da linha, e o motor funciona sempre como bifásico. Porém, a capacitância do enrolamento auxiliar é proporcionada por dois condensadores em paralelo, um de grande capacitância e o outro de pequena. Ao atingir a velocidade que é aproximadamente 75% da de sincronismo, um dispositivo centrífugo desliga o condensador maior. Para o funcionamento ideal seria necessário uma redução contínua da capacitância, quando a velocidade varia de zero à de plena carga porém uma variação da capacitância em duas etapas dá bons resultados. O motor com condensador de marcha tem um rendimento e um conjugado motor crítico mais elevados que o motor que utiliza a fase dividida somente para a partida, e seu fator de potência é aproximadamente 100%.

C.4 – Motores com Condensadores Permanente

Nas aplicações em que o motor parte com uma carga praticamente nula, é possível evitar a despesa com o interruptor centrífugo e um dos condensadores do motor anteriormente ligado em série com o enrolamento auxiliar, e tem uma capacitância pequena, pelas razões anteriormente explicadas.

D – INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTAÇÃO

Para se inverter o sentido de rotação dos motores monofásicos invertem-se as ligações do enrolamento auxiliar ou do principal, pois o sentido da rotação depende do sentido do campo girante produzido na partida.

E – VARIAÇÃO DA VELOCIDADE

A variação de velocidade só pode ser obtida variando-se o número de pólos do motor.

O enrolamento do estator de um motor de indução monofásico pode ser facilmente disposto para dar duas velocidades, uma dupla da outra. Na figura 16.8 as duas bobinas A e B se acham ligadas em série, e seus campos se somam, resultando um motor bipolar.


Na figura 16.9 as duas bobinas ainda se acham ligadas em série, porém as ligações da bobina B foram invertidas, de modo que os campos das duas bobinas se acham em oposição, daí resultando a produção de quatro pólos e a redução da velocidade para a metade. Analogamente, um motor de quatro pólos pode ser religado, de modo a produzir oito pólos. A mudança de uma velocidade para a outra é fácil e rapidamente realizada por meio de uma chave bipolar de duas direções, figura 16.10. Os pólos norte da figura 16.9 são comumente chamados pólos conseqüentes, e um

motor de duas velocidades que obtém sua velocidade mais baixa mediante a produção de pólos conseqüentes se diz que possui um enrolamento de pólos conseqüentes.

Figura 16.9 Figura 16.10

Para o motor trifásico existem também dispositivos que permitem variar a velocidade por meio de religações, das bobinas, variando-se o número de pólos da máquina.

F – MOTORES DE PÓLOS SOMBRADOS

Outro processo de partir os pequenos motores monofásicos de indução, como os quais que se usam em ventiladores, toca-discos, etc... consiste em montar num canto de cada peça polar uma bobina ou um anel de cobre fechado em curto-circuito, figura 16.11. A corrente induzida neste anel produz um fluxo que pela Lei de Lenz tende a contrariar aquele que lhe deu origem. Portanto, o fluxo através do anel de cobre fica sempre sem atraso em relação ao fluxo principal φ. Deste modo é produzido um campo girante que arrasta o rotor e cujo sentido de movimento é do núcleo principal para o anel.

Nota: Tais motores só têm um sentido de rotação, pois a troca dos fios de alimentação acarreta a inversão simultânea dos fluxos principal e auxiliar.


G – MOTORES DE COMUTADOR

MOTORES TRIFÁSICOS DE COMUTADOR: Estes motores são constituídos por um estator igual ao dos motores trifásicos de indução e por um rotor como o induzido de uma máquina de corrente contínua. Sobre o comutador se assentam três escovas montadas a 120o

umas das outras, no caso de uma máquina bipolar.Os enrolamentos do estator e do rotor podem ser ligados em série

figura 16.12 ou em derivação.Os motores trifásicos de comutador diferem, pois, dos motores de

indução, não só pela constituição, mas também porque tanto o estator como o rotor são alimentados pela corrente da rede.


BIBLIOGRAFIA

FITZGERALD, A.E. KINGSLEY, Jr. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, 1975

KOSOW, Irving, L. – Electric Machinery and Transformers, New Jersey, Prentice Hall, INC.

BOFFI LUIZ V. – Conversão Eltromecânica de Energia, São Paulo, Editora da Universidade de São Paulo, Brasil.

SEPULVEDA, Prof. Hugo Luiz – Máquinas Elétricas, UFMG – BH – MG – Editora Engenharia, 1969.

17 – FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS

ASSUNTO:

Estudos práticos relativos à ligação, partida e operação de um motor de indução monofásico (MIM) de fase dividida

REFERÊNCIAS:

Kosow – Capítulo 10, ítens 10.1 a 10.8Kosow – Capítulo 10, ítens 10.1 a 10.8Fitzgerald – Capítulo 11, ítens 11.1 e 11.2

Falcone – ítem 6.19

I – CONSTRUÇÃO:

Qualquer motor de indução monofásico possui o rotor semelhante ao usado nos motores de indução polifásicos de rotor em gaiola de esquilo (ou em curto-circuito). Nos motores de fase dividida, nosso objetivo, o estator é constituído de ranhuras uniformemente distribuídas onde é inserido o enrolamento de estator que é dividido em duas partes, ligadas em paralelo, cada uma delas deslocadas no espaço e no tempo. A finalidade deste procedimento é a de produzir um campo magnético girante no estator e também o torque de partida (figura 17.1), como será visto posteriormente.

Figura 17.1 – Posições relativas no estator entre os enrolamentos, principal (m) e auxiliar (a), para um MIM de 2 pólos.

São os seguintes os dois enrolamentos do estator:1. Enrolamento principal ou de funcionamento (“main” = m)

É formado por bobinas distribuído em ranhuras, uniformemente espaçadas em volta do estator. Possui normalmente impedância apreciável para manter baixa a corrente de funcionamento.

2. Enrolamento auxiliar ou de partida (“auxiliary” = a)

É também distribuído uniformemente na periferia do estator, mas começando em ranhuras defasadas de 90 graus elétricos do início do

enrolamento principal, sendo ligado em paralelo com este enrolamento. Sua corrente e impedância são normalmente ajustados em relação à tensão de linha de modo que sua corrente esteja adiantada em relação à corrente do enrolamento principal, não necessariamente de 90 graus, mais o suficiente que haja um defasamento no tempo, uma vez que já há no espaço. Sua finalidade essencial é produzir a rotação do rotor.

Figura 17.2 – Ligações de um MIM de fase dividida e capacitor permanente para 2 tensões; (a) ligação paralelo 110 V; (b) ligação série 220 V.

FUNCIONAMENTO:

Na 10a aula de laboratório, foi mostrado que os motores de indução trifásicos (MIT), precisam de um campo magnético girante no estator para dar origem à rotação e à operação do motor. Como um MIM e um MIT possuem enrolamentos de rotores idênticos (enrolamento em gaiola), mas estatores diferentes (um é trifásico e o outro monofásico), faz-se necessário à formação de um campo magnético no estator que se desloca

de posição no tempo para produção de um conjugado no rotor e assim girá-lo. Uma das maneiras de conseguir um campo girante de estator equivalente a, por exemplo, 2 pólos, é utilizar dois enrolamentos no estator deslocados de 90 graus elétricos um de outro (figura 17.3) e fazer com que as correntes que devem circular nos dois enrolamentos fiquem com uma defasagem no tempo de, no mínimo, o suficiente para originar o movimento do rotor (partida).

Os MIM’s que usam dois enrolamentos no estator alimentados por uma única fonte CA, ligados em paralelo, são chamados de “motores de indução monofásicos de fase dividida” e, de acordo com o artifício utilizado para partir o motor (defasando as correntes) são ainda subdivididos em vários tipos que são:

1. MIM de fase dividida de partida à resistência (ou, simplesmente, de fase dividida).

(a) Diagrama de ligações

(b) Diagrama fasorial na partida


Neste caso, basta termos:

m

m

a

a

X

R

X

R >

A figura 17.3a mostra uma maneira de conseguir isto, ou seja:A figura 17.3a mostra uma maneira de conseguir isto, ou seja:

•• Enrolamento auxiliarEnrolamento auxiliar →→ menos espiras com condutor de menos espiras com condutor de menor seçãomenor seção

•• Enrolamento principal Enrolamento principal →→ mais espiras com condutor de maior seção. mais espiras com condutor de maior seção.

am

mmm

aaa Z Z Z alta X e baixa R

Z baixa X e alta R partida) (na obtemos Assim <

→→

OBS.: Uma maneira de reduzir um pouco o valor de Xa é colocá-lo no topo da ranhura do estator.

O enrolamento auxiliar é desligado após a partida, por uma chave centrífuga, a cerca de 75% da velocidade síncrona. Razões:

a) O torque desenvolvido pelo enrolamento principal na condição nominal é superior ao que seria desenvolvido por ambos os enrolamentos (figura 17.4).

b) Como vantagem adicional, as perdas são reduzidas com a eliminação do enrolamento auxiliar e por causa disto este é também chamado de enrolamento de partida e o outro de enrolamento de funcionamento.

Figura 17.4 – Características torque x velocidadeFigura 17.4 – Características torque x velocidade

• Vantagens : custo baixo• Desvantagens : Tp baixo (de 1,5 a 2,0 vezes Tnom)

Em cargas pesadas o escorregamento aumenta (reduz N), resultando um torque elíptico e pulsante e maiores vibrações.

• Aplicações: Ventiladores, bombas centrífugas e cargas barulhentas tais como esmeris, máquinas de lavar, etc.

• Potências típicas: 1/20 a ½ HP

2. MIM de fase dividida com partida a capacitor

(a) Diagrama de ligação

(b) Diagrama fasorial na partida

(c) Característica torque x velocidade

Figura 17.5

Neste tipo de motor, o torque de partida é melhorado com a inclusão de um capacitor em série com o enrolamento auxiliar, figura 17.5a., dimensionado de tal maneira a produzir um defasamento entre Im e Ia de quase 90 graus, figura 17.5b., (sendo 82 graus um bom compromisso entre vários fatores como conjugado de partida, corrente de partida e custo). O aumento do Tp pode ser entendido pela relação:

Tp = K Ia Im senα

Onde α = ângulo (defasamento) entre Ia e Im

Novamente o enrolamento auxiliar é desligado após o motor ter partido, figura 17.5c., e consequentemente este e o capacitor são projetados a mínimo custo para serviço intermitente.

• Vantagens: - Tp elevado (de 3,5 a 4,5 vezes Tmon)- Ip reduzido- Pode ser usado como “motor reversível”

• Desvantagens: - Aumento do custo- Maiores danos pela falha nas chaves de partida em abrir o

circuito do enrolamento auxiliar devido ao capacitor.• Aplicações: bombas, compressores, unidade de refrigeração e condicionamento de

ar e outras cargas de partida difícil ou que requeriam a inversão de rotação do motor.

3. MIM de fase dividida com capacitor permanente


(b) Diagrama fasorial em funcionamento

(c) Característica torque x velocidade

Figura 17.6

Neste tipo, o capacitor e o enrolamento auxiliar não são desligados após a partida e a construção pode ser simplificada pela omissão da chave centrífuga. A capacitância C deve ser bem menor que Cp do caso anterior para não sobrecarregar o enrolamento auxiliar durante o funcionamento.

• Vantagens: - melhoria no fator de potência- melhoria no rendimento- melhoria nas pulsações de conjugado (se bem projetado teremos

um motor sem vibração)- inversão de velocidade mais fácil- não requer chave centrífuga- possibilidade de corrente de velocidade pela variação da tensão

aplicada.• Desvantagens: - Redução de Tp para C < Cp

- Tnom mais baixo

• Aplicações: ventiladores, exaustores, máquinas de escritório e unidades de aquecimento.

• Potências típicas:

4. MIM de fase dividida a duplo capacitor


(b) Característica torque x velocidade

Figura 17.7

Este tipo de motor combina as vantagens do MIM a capacitor (tais como operação silenciosa e controle limitado da velocidade) com as vantagens do MIM com partida a capacitor (torque de partida elevado e corrente de partida reduzida).

Os diagramas fasoriais para as condições de partida e funcionamento são iguais à figura 17.5b e figura 17.6b respectivamente.• Aplicações: em compressores de unidade domésticas de ar condicionado.

Notas sobre os capacitores usados no motores:

1. O capacitor empregado para a partida de MIM (Cp) é do tipo eletrolítico, seco, para C.A., compacto especial de forma cilíndrica, feito especialmente para partida de motores, isto é, para uso intermitente.

2. O capacitor utilizado permanentemente ligado (C) é do tipo a óleo, para C.A., para uso contínuo.

3. Ambos são encontrados nas tensões de 110 e 220 volts.4. Em geral, Cp >> C. Ex.: Num motor de ½ HP seria utilizado um capacitor de partida

de 250 µF e/ou um capacitor permanente de 25 µF, aproximadamente.

III – PRÁTICA

É dividida em 3 partes, devendo-se efetuá-las na seqüência apresentada.

1. Identificação dos enrolamentos de um MIM

Material: - 1 MIM, fase dividida, com os terminais disponíveis, sem quaisquer ligações ou identificações. - 1 ohmímetro

Com auxílio do ohmímetro, determinar para cada 2 terminais quais constituem enrolamento e anotar o valor ôhmico medido na tabela abaixo. (Preencher apenas o triângulo superior ou o inferior).

1. Roxo 2. Verde 3. Verm. 4. Marr. 5. Azul 6. Amar.1. Roxo2. Verd.3. Verm.4. Marr.5. Azul6. Amar.

Tabela 17.1

2. Determinação das polaridades dos enrolamentos

Método do Golpe Indutivo (com CC)

Material: - Motor anterior- 1 fonte CC (baixa tensão)- 1 amperímetro CC- 1 voltímetro CC (escala central, se possível)- 1 chave interruptora monopolar

Uma vez identificado e separado os terminais dos enrolamentos é necessário conhecer as polaridades dos mesmos.

Relembrando, os terminais de mesma polaridade de duas bobinas são aqueles por onde se deve entrar corrente para que os fluxos produzidos por elas se somem ou tenham o mesmo sentido.

Figura 17.8

Importante:

1 enrol. do IRR

EI max

1

≤+

=

Procedimento:

a) Toma-se um enrolamento qualquer (Ex.: enrol. 1, figura 17.8), liga-se a uma fonte CC de tensão E em série com uma resistência R para limitar a corrente na bobina (caso seja necessário), um amperímetro e uma chave S conforme figura 17.8.

b) Toma-se outro enrolamento e conecta-se um voltímetro CC de escala central, se possível.

c) Fecha-se a chave S e observa-se a deflexão do ponteiro do voltímetro CC ligado ao segundo enrolamento.

Daí conclui-se:• Se o ponteiro do voltímetro defletir no sentido positivo, os terminais dos

enrolamentos ligados aos bornes positivos da fonte e do voltímetro possuem a mesma polaridade.

• Se o ponteiro do voltímetro defletir no sentido negativo ou inverso estes terminais possuem polaridades opostas.

d) Marca-se os terminais de mesma polaridade (com ponto, asterisco, sinal +, ou outro artifício qualquer). Caso haja mais enrolamentos, repete-se o procedimento descrito acima.

OBS.: É necessário que os dois enrolamentos estejam acoplados magneticamente, isto é, que um esteja submetido ao fluxo do outro.

Figura 17.9

Método com C.A.

Material: - Motor com terminais das bobinas identificadas- 1 fonte C.A.- 1 amperímetro C.A.- 1 chave interruptora monopolar

Proceder as seguintes ligações anotando o valor de I1 e I2.

(a) I1 = ___________ A (b) I2 _____________ A

Figura 17.10

Pode ocorrer uma das seguintes situações:

1a) Se I1 < I2, a figura 16.10a representa uma ligação aditiva.2a) Se I2 < I1, a figura 16.10b representa uma ligação aditiva.3a) Se I1 = I2, não existe acoplamento magnético entre as duas bobinas (M = 0) ou seja,

os eixos magnéticos das duas bobinas forma um ângulo de 90 graus elétricos.

OBS.: Na 1a situação, tem-se:

( ) ( )[ ] 2

21

2

21

1

MLLf2RR

VI

++π++=

Na 2a situação, tem-se:

( ) ( )[ ] 2

21

2

21

2

MLLf2RR

VI

−+π++=

3. Ligação e operação de um MIM, fase dividida

Material: - Motor anterior- capacitores necessários para partida e funcionamento- 2 chaves interruptoras monopolar- 1 voltímetro CA- 1 amperímetro CA

O motor a ser utilizado nesta experiência possui dois enrolamentos principais que serão ligados em série para 220 volts e em paralelo para linhas de 110 volts.

Anote as características nominais do motor na tabela 17.2, abaixo:

Motor de Indução Monofásico Marca: No

Potência: Tensão:Corrente: Velocidade:Capacitor permanente do tipo ................................de ....................................µFCapacitor de partida do tipo ...................................de ................................... µF

Tabela 17.2

Procedimento:

1. Ligar o motor monofásico para operação em linhas de 220 volts. Partir com o capacitor inserido e observado seu desempenho na partida e no funcionamento. Retirar o capacitor e o enrolamento auxiliar após a partida. O que acontece ?

2. Ligar o motor sem o capacitor, mas com todos os enrolamentos do motor. O motor parte ? Por que ?

3. Tentar partir somente com o(s) enrolamento(s) de funcionamento (m). É possível ? Por que ?

4. É possível aumentar o conjugado de partida deste motor ? Como ? No laboratório existe meios para isto ? Se for afirmativa sua resposta tente comprovar suas conclusões ligando novamente o motor com as modificações necessárias.

Questões

1. Se o enrolamento auxiliar de um MIM, partida a capacitor, é desligado após a partida, ainda continuaremos a ter um campo magnético girante de estator ? Justificar sua resposta.

2. Por que o capacitor de partida (Cp) deve ser muito maior do que o capacitor permanente (C) para uma mesma potência e tensão (ordem de 10 a 15 vezes) ?

3. Qual o problema de se manter energizado, após a partida, o capacitor de um MIM de partida a capacitor ?

4. Quais as vantagens e as desvantagens de um MIM, a duplo capacitor ?

Campos magnéticos:Campos magnéticos:

Os elétrons giram em torno do núcleo dos átomos, mas também em torno de sí mesmos (translação), isto é semelhante ao que ocorre com os planetas e o sol. Há diversas camadas de elétrons, e em cada uma, os elétrons se distribuem em orbitais, regiões onde executam a rotação, distribuídos aos pares.

Ao rodarem em torno de si, os elétrons da camada mais externa produzem um campo magnético mínimo, mas dentro do orbital, o outro elétron do par gira também, em sentido oposto, cancelando este campo, na maioria dos materiais.

Porém nos materiais imantados (ferromagnéticos) há regiões, chamadas domínios, onde alguns dos pares de elétrons giram no mesmo sentido, e um campo magnético resultante da soma de todos os pares e domínios é exercido em volta do material: são os imãs.

O que é de fato um campo magnético?O que é de fato um campo magnético?

A palavra campo significa, na Física, uma tendência de influenciar corpos ou partículas no espaço que rodeia uma fonte.

Ex.: O campo gravitacional, próximo à superfície de um planeta, que atrai corpos, produzindo uma força proporcional à massa destes, o peso.

Assim, o campo magnético é a tendência de atrair partículas carregadas, elétrons e prótons, e corpos metálicos magnetizáveis (materiais ferromagnéticos, como o ferro, o cobalto, o níquel e ligas como o alnico).

O campo pode ser produzido pôr imãs e eletroímãs, que aproveitam o efeito magnético da corrente elétrica.

Correntes e eletromagnetismo:Correntes e eletromagnetismo:

A corrente elétrica num condutor produz campo magnético em torno dele, com intensidade proporcional à corrente e inversamente à distância.

B = 4p10-7 I / r

Nesta equação, válida para um condutor muito longo, I é a corrente, r a distância ao centro do condutor e B é a densidade de fluxo, ou indução magnética, que representa o campo magnético. É medida em Tesla, T.

Se enrolarmos um condutor, formando um indutor ou bobina, em torno de uma forma, o campo magnético no interior deste será a soma dos produzidos em cada espira, e tanto maior quanto mais espiras e mais juntas estiverem

B = 4p10-7NI / L

L é o comprimento do enrolamento, e N o número de espiras, válida para núcleo de ar.

PermeabilidadePermeabilidade

Os materiais se comportam de várias maneiras, sob campos magnéticos.

• Os diamagnéticos, como o alumínio e o cobre, os repelem, afastando as linhas de campo.

• Os paramagnéticos se comportam quase como o ar.• Os ferromagnéticos concentram o campo, atuando como condutores magnéticos.• A permeabilidade é a propriedade dos materiais de permitir a passagem do fluxo

magnético, que é a quantidade de campo que atravessa o material.

f = BA

A é a área transversal ao campo do material, em m2 . O fluxo é medido em Webers, Wb.

Os materiais mais permeáveis são os ferromagnéticos. Eles tem permeabilidades centenas a vários milhares de vezes a do ar, e são usados como núcleos de indutores, transformadores, motores e geradores elétricos, sempre concentrando o fluxo, possibilitando grandes campos (e indutâncias).

Os diamagnéticos são usados como blindagem magnética (ou às ondas eletromagnéticas), pela permeabilidade menor que a do ar, mo.

mo = 4p10-7 Tm/A

•• Indutância:Indutância:

Vimos que os indutores produzem campo magnético ao conduzirem correntes. A indutância é a relação entre o fluxo magnético e a corrente que o produz. É medida em Henry, H.

L = f / I Uma propriedade importante da indutância, e da qual deriva o nome, é o fato do

campo resultante da corrente induzir uma tensão no indutor que se opõe à corrente, esta é chamada a Lei de Faraday.

E = N df / dt

N é o número de espiras do indutor, e df / dt é a velocidade de variação do fluxo, que no caso de CA é proporcional à freqüência. E é a tensão induzida, em V.

É interessante observar como isto se relaciona ao conceito de reatância indutiva, a oposição à passagem de corrente pelo indutor.

XL = 2 pfL

L é a indutância, e f a freqüência da corrente, em Hz.A corrente alternada produz no indutor um campo, induzindo uma tensão

proporcional à freqüência, que se opõe à corrente, reduzindo-a, esta é a explicação da reatância.

As bobinas nos circuitos elétricos são chamadas indutores. Quando usadas para produzir campos magnéticos, chamam-se eletroímãs ou solenóides. Já dentro de máquinas elétricas (motores e geradores), fala-se em enrolamentos.

Campos e forçasCampos e forças

Um campo magnético produz uma força sobre cargas elétricas em movimento, que tende a fazê-las girar. Quando estas cargas deslocam-se em um condutor, este sofre a ação de uma força perpendicular ao plano que contém o condutor e o campo.

F = B I L senq

F é a força em Newtons, L o comprimento do condutor, em m, e q o ângulo entre o condutor e as linhas do campo.

É esta força que permite a construção dos motores elétricos. Nestes o ângulo é de 90o, para máximo rendimento, B é produzido pelos enrolamentos, e há N espiras (nos casos em que o rotor, parte rotativa central, é bobinado), somando-se as forças produzidas em cada uma. O núcleo é de material ferromagnético, para que o campo seja mais intenso, e envolve o rotor, com mínima folga, o entreferro, formando um circuito magnético.

O processo é reversível: uma força aplicada a um condutor, movendo-o de modo a “cortar” as linhas de um campo magnético (perpendicularmente), induz uma tensão neste, conforme a Lei de Faraday, proporcional à velocidade e ao comprimento do condutor, e ao campo, é o princípio do gerador elétrico e do microfone dinâmico.

E = B L v

E é a tensão em V, L o comprimento, em m, e v a velocidade do condutor, em m/s. Além desta força, há a de atração exercida pôr um campo num material

ferromagnético, que age orientando os domínios (e os “spins”), podendo imantá-los (conforme a intensidade e a duração). Esta é usada nos eletroímãs, nos relés e contatores (relés de potência usados em painéis de comando de motores), etc.

É também usada na fabricação de imãs, usados entre outras aplicações nos auto-falantes, microfones e pequenos motores C.C. (campo), como aqueles usados em toca - discos e gravadores.

TransformadoresTransformadores

O campo magnético pode induzir uma tensão noutro indutor, se este for enrolado sobre uma mesma forma ou núcleo. Pela Lei de Faraday, a tensão induzida será proporcional à velocidade de variação do fluxo, e ao número de espiras deste indutor.

E2 = N2 df/dt

Aplicando aos dois enrolamentos, a lei permite deduzir a relação básica do transformador.

E1/E2 = N1/N2

A relação de correntes é oposta à de tensões.

I1/I2 = N2/N1

O índice um se refere ao indutor ao qual se aplica tensão, o primário, e dois, àquele que sofre indução, o secundário.

O transformador é um conversor de energia elétrica, de alta eficiência (podendo ultrapassar 99%), que altera tensões e correntes, e isola circuitos.

Perdas

Além das perdas no cobre dos enrolamentos (devidas à resistência), os transformadores e bobinas apresentam perdas magnéticas no núcleo.

Histerese: Os materiais ferromagnéticos são passíveis de magnetização, através do realinhamento dos domínios, o que ocorre ao se aplicar um campo (como o gerado por um indutor ou o primário do transformador). Este processo consome energia, e ao se aplicar um campo variável, o material tenta acompanhar este, sofrendo sucessivas imantações num sentido e noutro, se aquecendo. Ao se interromper o campo, o material geralmente mantém uma magnetização, chamada campo remanente.

Perdas por correntes parasitas ou de Foucault: São devidas à condutividade do núcleo, que forma, no caminho fechado do núcleo, uma espira em curto, que consome energia do campo. Para minimizá-las, usam-se materiais de baixa condutividade, como a ferrite e chapas de aço-silício, isoladas uma das outras por verniz. Em vários casos, onde não se requer grandes indutâncias, o núcleo contém um entreferro, uma separação ou abertura no caminho do núcleo, que elimina esta perda.

Tipos de transformadores:

• Transformador de alimentação:

É usado em fontes, convertendo a tensão da rede na necessária aos circuitos eletrônicos. Seu núcleo é feito com chapas de aço-silício, que tem baixas perdas, em baixas freqüências, por isto é muito eficiente. Às vezes possuem blindagens, invólucros metálicos. • Transformador de áudio:

Usado em aparelhos de som a válvula e certas configurações a transistor, no acoplamento entre etapas amplificadoras e saída ao auto-falante. Geralmente é semelhante ao t. de alimentação em forma e no núcleo de aço-silício, embora também se use a ferrite. Sua resposta de freqüência dentro da faixa de áudio, 20 a 20000 Hz, não é perfeitamente plana, mesmo usando materiais de alta qualidade no núcleo, o que limita seu uso. • Transformador de distribuição:

Encontrado nos postes e entradas de força em alta tensão (industriais), são de alta potência e projetados para ter alta eficiência (da ordem de 99%), de modo a minimizar o desperdício de energia e o calor gerado. Possui refrigeração a óleo, que circula pelo núcleo dentro de uma carapaça metálica com grande área de contato com o ar exterior. Seu núcleo também é com chapas de aço-silício, e pode ser monofásico ou trifásico (três pares de enrolamentos).• Transformadores de potencial:

Encontra-se nas cabines de entrada de energia, fornecendo a tensão secundária de 220V, em geral, para alimentar os dispositivos de controle da cabine - reles de mínima e máxima tensão (que desarmam o disjuntor fora destes limites), iluminação e medição. A tensão de primário é alta, 13.8Kv ou maior. O núcleo é de chapas de aço-sílicio, envolvido por blindagem metálica, com terminais de alta tensão afastados por cones salientes, adaptados a ligação às cabines. Podem ser mono ou trifásicos. • Transformador de corrente:

Usado na medição de corrente, em cabines e painéis de controle de máquinas e motores. Consiste num anel circular ou quadrado, com núcleo de chapas de aço-sílicio e enrolamento com poucas espiras, que se instala passando o cabo dentro do furo, este atua como o primário. A corrente é medida por um amperímetro ligado ao secundário (terminais do TC). É especificado pela relação de transformação de corrente, com a do medidor sendo padronizada em 5A, variando apenas a escala de leitura e o número de espiras do TC.• Transformador de RF:

Empregam-se em circuitos de radiofreqüência (RF, acima de 30 kHz), no acoplamento entre etapas dos circuitos de rádio e TV. Sua potência em geral é baixa, e os enrolamentos têm poucas espiras. O núcleo é de ferrite, material sintético composto de óxido de ferro, níquel, zinco, cobalto e magnésio em pó, aglutinados por um plastificante. Esta se caracteriza por ter alta permeabilidade, que se mantém em altas

freqüências (o que não acontece com chapas de aço-sílicio). Costumam ter blindagem de alumínio, para dispersar interferências, inclusive de outras partes do circuito.

• Transformadores de pulso: São usados no acoplamento, isolando o circuito de controle, de baixa tensão e

potência, dos tiristores, chaves semicondutores, além de isolarem um tiristor de outro (vários secundários). Têm núcleo de ferrite e invólucro plástico, em geral.

Autotransformadores

Se aplicarmos uma tensão a uma parte de um enrolamento (uma derivação), o campo induzirá uma tensão maior nos extremos do enrolamento. Este é o princípio do autotransformador.

Uma característica importante dele é o menor tamanho, para certa potência, que um transformador. Isto não se deve apenas ao uso de uma só bobina, mas ao fato da corrente de saída ser parte fornecida pelo lado alimentada, parte induzida pelo campo, o que reduz este, permitindo um núcleo menor, mais leve e mais barato. A desvantagem é não ter isolação entre entrada e saída, limitando as aplicações.

São muito usados em chaves de partida compensadoras, para motores (circuitos que alimentam motores com tensão reduzida fornecida pelo autotransformador, por alguns segundos, reduzindo o pico de corrente durante a aceleração) e em estabilizadores de tensão (autotransformador com várias derivações - taps -, acima e abaixo do ponto de entrada, o circuito de controle seleciona uma delas como saída, elevando ou reduzindo a tensão, conforme a entrada).

Definições

Corrente alternada: Se caracteriza pelo fato de que a tensão, em vez de permanecer fixa, como em pólos de bateria, varia com o tempo, mudando de sentido alternadamente, donde o seu nome. O número de vezes por segundo que a tensão muda de sentido e volta à condição inicial é a freqüência do sistema expressa em “ciclos por segundo” ou “Hertz”, simbolizada por Hz.

No sistema monofásico uma tensão alternada V (volts) é gerada e aplicada entre dois fios, ao que se ligam a carga que absorve uma corrente (Ampéres).

Dimensionamento e normas

Os condutores são o elo de ligação entre a fonte geradora e o aparelho consumidor, servindo de meio de transporte para a corrente elétrica.

O dimensionamento de um condutor tem como finalidade garantir o funcionamento adequado das instalações,a segurança de pessoas, animais domésticos inclusive a conservação dos bens.

A seção é dimensionada com base no máxima corrente permitida (limitada pela classe de temperatura da isolação).

Queda de tensão máxima 4% Ex. 220v – 211,2 ; 127 = 121,92.

Seções mínimas dos condutores, segundo estabelece a NB-3

Iluminação 1,5 mm².Tomadas de corrente em quarto, salas e similares 2,5 mm².Aquecedores de água (depende da potência) 2,5 mm².Chuveiros elétricos (depende da potência) 4,0 mm².Aparelhos de ar condicionados 2,5 mm².Fogões elétricos 6,0 mm².

Nos circuitos de controle e sinalização (campainhas) a bitola pode ser reduzida até 0,5 mm².

Os circuitos deverão partir do quadro de distribuição onde serão instalados os dispositivos de proteção (independente para cada circuito).

Cores de fios e cabos

Neutro Azul claroTerra Verde verde amareloFases Demais cores

Cômodos ou dependências com área igual ou inferior a 6 m – No mínimo uma tomada

Cômodos ou dependências com mais de 6 m² - No mínimo 1tomada para cada 5 m ou fração de perímetro espaçadas tão uniformes quanto possível.

Cozinhas, copas,e copas cozinha – 1 tomada para cada 3,5m ou fração de perímetro, independente da área

Subsolos, varandas, garagens e sótãos – pelo menos uma tomada.Banheiro – no mínimo 1 tomada junto ao lavatório com uma distância mínima de

60 cm do limite do Box.

Em função de queda de tensão:

A queda de tensão máxima do circuito deverá ser calculada através da formula:

QT = Fct x d x In x 100Un

Onde:QT = Queda de tensão em %d = Distância em KmI = Corrente nominal em AUm = tensão nominal em VFct = Fator de correção de tensão

Secção nominal em mm

Eletroduto e calha fechada (material

magnético)

Eletroduto e calha fechada, bloco alveolado (material não magnético)

Fios e cabos Fios e cabosCircuito

monofásico e trifásico

Circuito monofásico

Circuito trifásico

1,5 27,4 27,6 23,92,5 16,8 16,9 14,74 10,5 10,6 9,156 7 7,07 6,1410 4,2 4,23 3,6716 2,7 2,68 2,3325 1,72 1,71 1,4935 1,25 1,25 1,0950 0,95 0,94 0,8270 0,67 0,67 0,5995 0,51 0,50 0,44120 4,42 0,41 0,36150 1,35 0,34 0,30185 0,30 0,29 0,25240 0,25 0,24 0,21300 0,22 0,20 0,18300 0,20 0,17 0,15500 0,19 0,16 0,14

Em função de condução de correntePara que não haja superaquecimento na isolação1ª etapa - calcular a corrente do circuito I=P=A U2ª etapa - verificar e determinar o condutor

Tabela 1Equivalência prática AWG/MCM x série métrica

AWG/MCMMM²

APROX

Série métrica

mm²Àmperes

14 2,1 1,5 15,512 3,3 2,5 2110 5,3 4 288 8,4 6 366 13 10 504 21 16 682 34 25 891 42 35 110

Tabela 02Diferentes maneiras de instalar diferentes tipos de cabos

Maneiras de instalar

EXTINFLAN Braschumbo Braxnax2

condutores carregados

3 condutores carregados





Eletroduto em instalação aparente, embutido em teto, parede ou piso, em canaleta aberta ou ventilada, molduras rodapés e alisares, calha.

A B - - A B

Fixação direta à parede ou teto

- - C D C D

Poço espaço de construção bloco alveolado

- - A B A B

Eletroduto em canaleta fechada

E F E F

Canaleta fechada - - A B A BCanaleta aberta ou

ventilada- - C D C D

Diretamente instalada - - G H G H

Eletroduto diretamente enterrados

- - - - G H

Sobre isoladores linha aérea

Ver tabela 4

Bandejas ou prateleiras, Ver

suportes tabela 4

Tabela 03

Seção Nominal mm²

a b c d e f g H

1,5 17,5

15,5

19,5

17,5

14,5

13,5

22 18

2,5 24 21 27 24 19,5

18 29 24

4 32 28 36 32 26 24 38 316 41 36 46 41 34 31 47 3910 57 50 63 57 46 42 63 5216 76 68 85 76 61 56 81 6725 101 89 112 96 80 73 10

486

35 125 110 138 119 99 89 125

103

50 151 134 168 144 119 108 148

122

70 192 171 213 184 151 136 183

151

95 232 207 258 223 182 164 216

179

120 269 239 299 259 210 188 246

203

150 309 275 344 299 240 216 278

230

185 353 314 392 341 273 245 312

258

240 415 370 461 403 321 286 361

297

300 477 426 530 464 367 328 408

336

400 571 510 634 557 438 390 178

294

500 656 587 729 642 502 447 540

445

As colunas a utilizar de acordo com a maneira de instalar, o tipo de cabo e o número de condutores são indicadas na tabela 1.

Temperatura do condutor:70ºTemperatura ambiente: 30ºPara cabos enterrados ou em eletrodutos diretamente enterrados:Resistividade térmica do solo: 2,5 K.m/W

Profundidade da instalação: 0,70m

Tabela 04Capacidade de condução de corrente (em ampéres) para cabos Extinfane Brasnax

Tipos de cabos e

instalaçõesCabos Fios e cabos Fios e cabos unipolas

Seção nominal (mm²)

2 condutor.

3 condutor.

2 condutor.unipolare

s contínuos

3 condutor.unipolares em trifólio

Contínuos

Espaçamento

horizontal

Espaçamento vertical

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (6)1,5 22 18,5 22 17 18 24 212,5 30 25 31 24 25 34 294 40 34 41 33 34 45 396 51 43 53 43 45 59 51

10 70 60 73 60 63 81 7116 94 80 99 82 85 110 9725 119 101 131 110 114 146 13035 148 126 162 137 143 181 16250 180 153 196 167 174 219 19770 232 196 251 216 225 281 25495 282 238 304 264 275 341 311

120 328 276 352 308 321 396 362150 379 319 406 356 372 456 419185 434 364 463 409 427 521 480240 514 430 546 185 507 615 569300 593 497 629 561 587 709 659400 - - 754 656 689 852 795500 - - 868 749 789 982 920

Instalação ao ar livreTemperatura do condutor: 70ºTemperatura do ambiente: 30º

3ª etapa - Corrigir o valor da capacidade de condução de corrente do condutor encontrado pelo fator de agrupamento

Disposição dos cabos

Fatores de correçãoNúmero de circuitos ou cabos multipolares

1 2 3 4 5 6 7 8 91

01

21

41

6Agrupamento

sobre uma superfície ou contidos em calha

ou bloco alveolado

10

,80

,70

,650

,60

,550

,550

,50

,50

,50

,450

,450

,4

Exemplo de dimensionamento

Instalar um aquecedor 15.000W, 220 volts monofásico, em eletroduto de pvc embutido na parede a uma distância de 54 metros.

1ª Capacidade de correnteIn= P = 15.000 = 68,18ª Um 220

Maneira de instalar nº 2De acordo com a tabela 1 para dois condutores carregadosImax + 76A cabo de 16mm²

2ª Queda de tensãoQT = fct x d x In x 100

Um

OndeQT: Queda de tensão em %D: Distância em kmIn: corrente nominal em A

Calculamos a queda de tensão para o cabo 16 mm² obtidos no item 1QT = 2,68 x 0,054 x 68,18 x 100 = 4,48%

220Logo para o cabo de 16mm² temos uma queda de tensão superior ao limite de 4%

devemos recalcular para uma cabo superior.Para 25mm² temos:QT = 1,71 x 0,054 x 68,18 x 100 = 2,86%

220Logo o cabo a ser utilizado deve ser 25mm², definido pelo fator de queda de tensão.

Dimensionamento de fusíveis de força

IF≥1,2 X In

Dimensionamento de contatores de força

Partida direta = K1 = In x 1,15Estrela triangulo = K1, K2 = (0,58 x In ) x 1,15

K3 = (0,33 x In) x 1,15Compensadora = K1 = In x 1,15

K2 = (0,64 x In) x 1,15 K3 = (0,23 x In) x 1,15

Série paralelo = K1, K2, K3 = (0,5 x In ) x 1,15 K4 = (0,25x In) x 1,15

Relé térmico de sobre cargaPartida direta = FT1 = InEstrela triangulo = FT1 = 0,58 x InCompensadora = FT1 = InSérie paralelo = FT1 = 0,5 x In

Ft2 = 0,5 x In

Capacitores

Local de Instalação

Evitar a exposição ao sol ou proximidade de equipamentos com temperaturas elevadas.Não bloquear a entrada e saída de ar dos gabinetesOs locais devem ser protegidos contra materiais sólidos e líquidos em suspensão.Não instalar os capacitores próximos ao teto.No caso de ventilação forçada, a circulação do ar deverá ser de baixo para cima.

Recomendação para dimensionamento e instalação de capacitores

Utilizar resistor de descarga e respeitar tempo mínimo de descarga (de um a três minutos).Manter a corrente de surto sempre no máximo 100 vezes a corrente nominal.Utilizar contatores com resistor de pré-carga ou indutores anti-surto.Em bancos automáticos, a freqüência de ressonância não deverá coincidir com a freqüência de nenhuma harmônica significativa na instalação.Utilizar fusíveis de proteção para os capacitores.Se a instalação possuir mais de 20% de “cargas não lineares” (ex. Inversores, soft-tarters) medir os níveis de harmônicas.Não fazer interligações entre os terminais dos capacitores em banco, respeitando as correntes máximas dos terminais dos capacitores.A secção dos cabos deve atender as condições de corrente do sistema.Evitar soldar cabos nos terminais dos capacitores.Fazer aterramento individual para as unidades banco capacitivo (as) e não aterrar o neutro.Medir (monitorar) efetivamente a tensão no secundário do transformador antes de especificar a tensão dos capacitores, em carga e a vazio.Utilizar contatos com resistores de pré-carga para manobra de capacitores.

Localização dos cabos de comando (Banco Automático)

Deverão ser utilizados cabos coaxiais ou dentro de tubulações independentes e aterrados nas extremidades do controlador.Instalar a uma distância mínima de 50 cm em relação ao barramento principal.

Cuidados com a instalação localizada

Cargas com alta inérciaInstalar contator para comutação dos capacitores instalados junto com motores que operem com alto momento de inércia, a fim de evitar danos por sobretensão nos terminais dos capacitores.

Fatores que podem ocasionar sobretensão nos terminais dos capacitores

Tap do trafo com valor de tensão superior ao do capacitor.Fator de potência capacitivo.Harmônicas na rede.Descargas atmosféricas.Aplicar tensões em capacitores já carregados.

Manutenção preventiva

Verifique visualmente em todos os capacitores se houve atuação do dispositivo de segurança interno, indicado pela expansão da caneca de alumínio no sentido vertical.Verifique se à fusíveis queimados.Verifique o funcionamento adequado das contatores.Nos bancos com ventilação forçada, simular o funcionamento adequado do termostato e do ventilador.A temperatura externa do capacitor deverá ser menor de 45ºC.Medir a tensão e a corrente em cada unidade com instrumento “TRUE RMS” na primeira energização,e fazer o acompanhamento das mesmas. Se atingirem ao longo do tempo valores menores do que 10% da nominal, os capacitores deverão ser substituídos.Manter o painel sempre limpo.Verificar se os terminais dos capacitores estão em perfeita condições de contato.Manter os parafusos dos contatos elétricos e mecânicos sempre “apertados”.Manter a vedação em perfeitas condições evitando assim a entrada de insetos e outros objetos.

Retirado do manual da weg

Motores

Noções fundamentais

Mor é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. É o mais usado em todos os tipos de motor, pois combina as vantagens de utilização de energia elétrica, baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando.

Os tipos de motores mais comuns são:Motores de corrente alternada: São os mais utilizados porque a distribuição de

energia elétrica é feia normalmente em corrente alternada.Motor síncrono: Funciona em velocidade fixa; utilizadas somente para grandes

potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável.

Motor de indução: Funciona normalmente com uma velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo, devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o mais utilizado de todos, sendo adequado a quase todas as máquinas acionadas, encontrados na prática.

Motores de corrente contínua: São motores de custo mais elevados e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta corrente alternada para corrente contínua. Podem funcionar em velocidades ajustáveis em amplos limites e se prestam ao controle de grandes flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo mais alto na instalação.

Graus de Proteção em motores WEGM

otor

Classe de

proteção

1º Algarismo 2 º AlgarismoProteção contra contato

Proteção contra corpos estranhos

Proteção contra água

Mot

ores

abe

rtos IP00 Não tem Não tem Não tem

IP02 Não tem Não tem Pingos de água te a inclinação vertical de 15º

IP11 Toque acidental com a mão

Corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 50mm

Pingos de água na vertical

IP12 Pingos de água até uma inclinação de 15º na vertical

IP13 Água da chuva até uma inclinação de 60º na vertical

IP21 Toque com os dedos

Corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 12mm

Pingos de água na vertical

IP22 Pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical

IP23 Águas da chuva ate uma inclinação de 60ºcom a vertical

Mot

ores

fec

hado

s IP44 Toque com ferramentas

Corpos estranhos e sólidos acima de 1mm

Respingos em todas as direções

IP54 Proteção completa contra toques

Proteção contra acúmulo de poeiras nocivas

Respingos em todas as direções

IP55 Jatos de água em todas as direções

IP(W)55 Proteção completa contra toques

Proteção contra acúmulo de poeiras nocivas

Chuva maresia

1º Algarismo: Indica o grau de proteção contra a penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental.

1º algarismoAlgarismo Indicação

0 Sem proteção1 Corpos estranhos de dimensões acima de 50mm2 Corpos estranhos de dimensões acima de 12mm3 Corpos estranhos de dimensões acima de 2,5mm4 Corpos estranhos de dimensões acima de 1mm5 Proteção contra o acúmulo de poeiras prejudiciais ao

motor6 Totalmente protegido contra a poeira

2º Algarismo: Indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do motor.

2º algarismo

Algarismo Indicação0 Sem proteção1 Pingos de água vertical2 Pingos de água até inclinação de 15º com a vertical3 Água da chuva até a inclinação de 60º na vertical4 Respingos de todas a s direções5 Jatos de água de todas as direções6 Água de vagalhões7 Imersão temporária8 Imersão permanente

C – BIBLIOGRAFIA:

FITZGERALD, A.E. – Máquinas ElétricasKOSOW, Irving L. – Máquinas Elétricas e TransformadoresSLEMON, Gordon R. – Equipamentos Magnetelétricos.BIBLIOGRAFIA:

EDMINISTER, Joseph A. – Eletromagnetismo SLEMON, Gordon R. – Equipamentos Magnetelétricos

DEL TORO, Vincent. – Electromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems.

BIBLIOGRAFIA:

DEL TORO, Vincent. – Electromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems.

KOSOW, Irving L. – Electric Machinery and TransformersFITZGERALD, A. E. – Máquinas Elétricas.

L – QUESTIONÁRIO

1) a – O que é campo magnético ? Quais são suas propriedades ?b – Por que o ferro é magnético e o alumínio não ?c – A permeabilidade relativa varia com a densidade de fluxo ? Por que ?

2) O que se entende por fluxo de dispersão ?

3) Qual a diferença entre um campo produzido por corrente contínua e um produzido por corrente alternada ?

4) Determinar o análogo entre circuitos elétricos e magnéticos

ELÉTRICO MAGNÉTICODensidade de corrente jCorrente I

Intensidade de Campo Magnético – HForça Magnetomotriz – F

Condutividade σResistência R

Permeância – P

5) Descrever 5 (cinco) conversores eletromecânicos, com os quais já teve contato.

6) Um transformador é um conversor eletromecânico ? Por que ?

7) Uma bobina consiste de 1000 espiras enroladas em um núcleo toroidal de R = 6 cm e r = 1 cm. Para estabelecer um fluxo magnético total de 0,2 Wb em um núcleo não magnético qual será a corrente necessária ? Repetir, para um núcleo de ferro com uma permeabilidade relativa de 2000.

8) Um solenoíde com núcleo de ar, com 2500 espiras, com espaçamento uniforme, tem comprimento de 1,5 m e raio de 2 x 10-2 m. Calcule a indutância L.

9) O circuito magnético da figura 1.3 é constituído de aço M-19, bitola 29, com fator de empilhamento 0,94, com comprimento médio 1n = 0,44 m e seção reta quadrada de 0,02 x 0,22 m. O entreferro tem comprimento 1e = 2 mm e o enrolamento contém 400 espiras. Desprezar o espraiamento e a dispersão. Calcule a corrente necessária para gerar um fluxo de 0,141 mWb no entreferro.

Figura 1.3

C - QUESTIONÁRIO:

1) Suponha que em um determinado processo de conversão de energia houve uma melhoria dos meios de refrigeração. Isto implica em maior parcela de elétrica convertida em mecânica ? Por que ? Faça uma análise completa.

2) Um relé eletromagnético pode ser considerado como equivalente a um elemento de ferro de 10 cm de comprimento, 1 cm2 de seção reta, µR = 1500; em série com um entreferro de 3 mm de comprimento, quando o relé está aberto. Considere a área do entreferro igual a 1 cm2. A

bobina tem 3000 espiras e conduz uma corrente de 25 mA. Sabe-se que

a força mecânica é dada por o

2

2

SF

µβ= . Calcular a força mecânica da

armadura, quando o entreferro for igual a 1 mm.

3) Em um processo de conversão eletromecânica de energia são envolvidos fenômenos elétricos, magnéticos, mecânica Newtoniana e o princípio da conservação de energia. Enuncie quais são esses fenômenos, dizendo da sua importância.

4) Um transdutor eletromecânico, com núcleo de material magnético, uma excitação, apresentou a seguinte relação, entre fluxo e F.m.m.

F = 5,73 φ1/2 A.E.Determine a energia armazenada no transdutor quando o fluxo atingir o valor de 2,3 Wb, com a parte móvel bloqueada.

5) Considere a equação dWelet. = dWcpo + dWmec e aplique-a no seguinte caso. Tem-se uma bobina de resistência R, com núcleo de ar e uma fonte de tensão constante V.

a – A bobina é ligada a fonte;b – É introduzido um núcleo ferromagnético na bobina;c – O núcleo é retirado;d – A bobina é desligada.

1o) Na primeira fase é possível determinar a energia armazenada no campo, conhecendo-se apenas a energia elétrica fornecida ? Por que ?

2o) A introdução do núcleo altera o estado energético do campo ? E a energia elétrica absorvida ? Por que ?

3o) E a retirada do núcleo ?

4o) O que acontece com a energia do campo quando a bobina é desligada ?

Apostila-de-Eletrotecnica

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