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E D S O N B I M MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTO 4 a E D I Ç Ã O
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Rico em ilustrações e exemplos didáti-cos, este livro traz o conteúdo da disciplina Máquinas Elétricas para o curso de Engenharia Elétrica de forma ampla, indo além da abordagem intro-dutória: trata das bases da conversão eletromecânica de energia e da opera-ção em regime permanente das máqui-nas de corrente contínua, de indução e síncronas, mas também apresenta o controle vetorial das máquinas de indução, sejam de rotor gaiola ou duplamente alimentadas, bem como as máquinas de indução multifásicas.
O impacto do controle vetorial nas aplicações de alto desempenho dinâmi-co e de regime permanente alterou profundamente o enfoque dado à modelagem das máquinas de corrente alternada, tornando obrigatório o ensino dos chamados vetores espaciais que, por essa razão, são abordados em um capítulo inteiro. A estrutura de cada capítulo baseia-se na exposição da teoria, com a descrição e a obtenção das equações fundamentais das máqui-nas elétricas, sendo que exemplos são apresentados com o objetivo de ilustrar os conceitos discutidos na teoria. Exercícios são propostos ao final de cada capítulo.
E D S O N B I M Engenheiro eletricista, mestre e doutor pela Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp. Professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp desde 1977, ministra as disciplinas de graduação Princípios de Conversão Eletromecânica e Máquinas Elétricas; e de pós-graduação, Acionamento Elétrico. Sua área de pesquisa é a de Controle de Máquinas Elétricas.
EDSO
N BIM
E D S O N B I M
MÁQUINASELÉTRICAS E ACIONAMENTO
MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTO4 a E D I Ç Ã O
4a ed.
Este livro compreende três partes distintas que podem ser
associadas a três disciplinas diferentes, por se tratar de matéria
mais ampla do que aquela geralmente abordada na disciplina
básica de Máquinas Elétricas.
A primeira (capítulos 1 ao 4) aborda os princípios de conversão
eletromecânica de energia; a segunda (capítulos 5 ao 10) trata
das máquinas de campo estacionário e girante funcionando em
regime permanente; e a terceira (capítulos 11 ao 15) introduz o
controle vetorial aplicado às máquinas de indução, sejam gaiola
ou duplamente alimentadas, e o modelo das máquinas de
indução multifásicas. Uma revisão detalhada da transmissão e
conversão de movimento é dada no capítulo 16.
Bons estudos!
Máquinas elétricas e acionamento
Edson Bim
Máquinas elétricas e acionamento
4a edição
© 2018, Elsevier Editora Ltda.Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998.Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros.
ISBN: 978-85-352-9066-0ISBN (versão digital): 978-85-352-9067-7
Copidesque: Augusto Coutinho Revisão tipográfica: Laura SouzaEditoração Eletrônica: Edson BimIlustrações Gráficas: Juracy Gomes Ferreira
Elsevier Editora Ltda.Conhecimento sem Fronteiras
Rua da Assembleia, nº 100 – 6º andar – Sala 601 20011-904 – Centro – Rio de Janeiro – RJ Av. Nações Unidas, nº 12995 – 10º andar 04571-170 – Brooklin – São Paulo – SP
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A Editora
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃOSINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ
B497m
Bim, Edson
Máquinas elétricas e acionamento / Edson Bim. - [4. ed.]. - Rio de Janeiro :
Elsevier, 2018.
; 24 cm.
Inclui bibliografia e índice
ISBN 9788535290660
1. Máquinas elétricas. 2. Engenharia elétrica. I. Título.
18-49130 CDD: 621.31042
CDU: 621.313
Meri Gleice Rodrigues de Souza - Bibliotecária CRB-7/6439
17/04/2018 24/04/2018
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À minha esposa Thadeusa
e aos meus �lhos Thaís, Clarissa e Eduardo.
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Prefá io
A ara terísti a de se apresentar uma introdução à ompreensão, à modelagem, à análise
e ao ontrole de dispositivos transformadores de energia elétri a e onversores eletrome-
âni os de energia permane e nesta quarta edição.
Aqueles que estão familiarizados om as edições anteriores, notarão que, embora a
estrutura do livro seja mantida nesta quarta edição - os dez primeiros apítulos são
dirigidos, essen ialmente, às dis iplinas de graduação, e os seis últimos apítulos, às
dis iplinas de pós-graduação -, inúmeras alterações foram feitas em todos os apítulos,
visando o devido re�namento ou orreções de texto e de �guras ou, ainda, expandir ou
aprofundar alguns tópi os.
Assim sendo, no Capítulo 4 são a res entadas duas seções: uma dedi ada às ara te-
rísti as de argas me âni as e outra que aborda sistemas de elevação, sendo que ambas
ontêm novos exemplos e exer í ios. Ao Capítulo 6, por sua vez, foi a res entada uma
seção dedi ada à transformação de Park, bem omo uma síntese de transformações de
variáveis, es ritas na forma matri ial.
No que diz respeito ao ontrole vetorial, Capítulo 13, houve uma restruturação do
texto que apresenta o ontrole direto de torque, visando a melhor ompreensão dessa
estratégia de ontrole. O Capítulo 15, que apresenta uma introdução às Máquinas Mul-
tifási as, teve o seu onteúdo ampliado om a inserção da modelagem da máquina de
indução pentafási a e de uma abordagem mais aprofundada da máquina hexafási a assi-
métri a. Por �m, o Capítulo 16 se mantém em sua proposta ini ial que é a de ser apenas
uma revisão simpli� ada dos elementos típi os de transmissão e onversão de movimento
utilizados nos a ionamentos elétri os.
Espera-se, assim, que os vários tópi os abordados sobre a onversão e o ontrole
eletrome âni o de energia, alguns de forma mais ompleta, outros de forma introdutória,
forneçam uma base sólida aos engenheiros que atuam na àrea de energia elétri a.
Agradeço a todos que, ao lerem o livro, �zeram observações e orreções té ni as
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essen iais à melhoria das edições anteriores, e, portanto, enrique eram sobremaneira esta
quarta edição. Em espe ial, sou grato ao professor Paulo Sergio Dainez pela ontribuição
dada na es rita do apítulo que trata das máquinas multifási as.
À equipe da Editora Elsevier sou grato, parti ularmente à Isabella Leal, pelo zelo
om que tratou o desenvolvimento dessa edição.
Edson Bim
Campinas, São Paulo
Setembro, 2018
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Conteúdo
Prefá io vii
1 Cir uitos Magnéti os 1
1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Densidade de �uxo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Intensidade de ampo magnéti o e lei ir uital de Ampère . . . . . 4
1.2.2 Força magnéti a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Geração de tensão elétri a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 Produção de ampo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Tipos de materiais magnéti os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Histerese e urva de magnetização normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Cir uito magnéti o, suas variáveis e parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Energia armazenada no ampo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Ex itação alternada de bobinas envolvendo nú leos ferromagnéti os . . . . 30
1.6.1 Potên ia aparente de ex itação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6.2 Perdas de potên ia no nú leo ferromagnéti o . . . . . . . . . . . . 33
1.6.3 Cir uito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.7 Fluxo magnéti o on atenado e indutân ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.7.1 Polaridade de enrolamentos magneti amente a oplados . . . . . . . 47
1.8 Ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.8.1 Cara terísti a de desmagnetização dos ímãs . . . . . . . . . . . . . 51
1.8.2 Ponto de operação do ímã sem fmm externa . . . . . . . . . . . . . 56
1.8.3 Ponto de operação do ímã om fmm externa . . . . . . . . . . . . . 61
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
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2 Transformadores 67
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2 Aspe tos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3 Teoria, relações bási as e ir uito equivalente do transformador . . . . . . 71
2.3.1 Se undário aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.2 Se undário fe hado por uma arga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.3 Determinação experimental dos parâmetros do ir uito equivalente 77
2.3.4 Regulação de tensão do transformador . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.5 Valores nominais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4 Autotransformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5 O sistema por unidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.5.1 Transformadores monofási os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.5.2 Transformadores trifási os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6 Transformações trifási as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.1 Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.2 Conexão estrela-estrela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.6.3 Conexão delta-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.6.4 Conexão delta-estrela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.6.5 Conexão estrela-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.6.6 Conexões espe iais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.7 Operação de transformadores em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.8 Transformadores reguladores de tensão e de ângulo de fase . . . . . . . . . 119
2.9 Transformadores de múltiplos enrolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3 Prin ípios de Conversão Eletrome âni a de Energia 131
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2 Sistemas magnéti os om ex itação úni a . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2.1 Energia armazenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2.2 Força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.2.3 Coenergia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.2.4 Determinação da energia armazenada e da oenergia . . . . . . . . 139
3.2.5 Determinação da energia eletrome âni a . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2.6 Modelo matemáti o da dinâmi a de fun ionamento . . . . . . . . . 149
3.2.7 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.3 Sistemas magnéti os de dupla alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.4 Sistemas om ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.4.1 Sem fmm externa e om um ímã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.4.2 Com fmm externa e ímã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4 Con�guração Bási a e Prin ípio das Máquinas Elétri as Rotativas 171
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.2 Força magnetomotriz gerada por ex itação monofási a . . . . . . . . . . . 176
4.2.1 Velo idade da onda espa ial de força magnetomotriz monofási a . 178
4.3 Enrolamentos trifási os e distribuídos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
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ELSEVIER Conteúdo · xi
4.3.1 Força magnetomotriz de máquinas de indução . . . . . . . . . . . . 182
4.3.2 Máquinas sín ronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.4 Velo idades das ondas espa iais de fmms e a produção de torque . . . . . 200
4.5 Fmm, torque e omutação em máquinas de orrente ontínua . . . . . . . 205
4.5.1 Torque e omutação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.6 Máquinas de ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.7 Tipos bási os de torque de argas me âni as . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.8 Generalidades sobre seleção de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.8.1 Regimes de serviço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.8.2 Sobre potên ia, torque e orrente na seleção de motores . . . . . . 214
4.9 Diagrama de arga de um sistema de elevação . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.9.1 Potên ia do motor que tra iona um veí ulo sobre rodas . . . . . . 221
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5 Vetor Espa ial e Indutân ias 231
5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.2 Vetores espa iais de forças magnetomotrizes e de orrentes . . . . . . . . . 232
5.2.1 Estator trifási o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.2.2 Rotor trifási o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
5.3 Indutân ias de máquinas de indução trifási as . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.4 Indutân ias de máquinas sín ronas trifási as . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.4.1 Polos salientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.4.2 Polos lisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
6 Fluxos, Tensões e Torque em Máquinas de Indução 259
6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.2 Máquinas de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.2.1 Vetores dos �uxos magnéti os e das tensões elétri as . . . . . . . . 260
6.2.2 O modelo no sistema de referên ia de velo idade arbitrária . . . . 267
6.2.3 Potên ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.2.4 Torque eletrome âni o desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.2.5 O modelo no sistema de referên ia sín rono . . . . . . . . . . . . . 275
6.3 A matriz transformação de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
6.4 Máquinas Sín ronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.5 Síntese das matrizes de transformação de variáveis . . . . . . . . . . . . . 283
6.5.1 Transformação de Clarke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
6.5.2 Transformação de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
7 Regime Permanente de Máquinas de Indução 287
7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.2 Cir uito equivalente e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.2.1 Componentes ativa e reativa da orrente de rotor . . . . . . . . . . 292
7.3 Potên ia e torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
7.3.1 Modos de fun ionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
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xii · Máquinas Elétri as e A ionamento ELSEVIER
7.3.2 Torque desenvolvido pelo motor alimentado por fonte de tensão . . 309
7.3.3 Torque desenvolvido pelo motor alimentado por fonte de orrente . 314
7.4 Classi� ação dos motores de indução trifási os de rotor gaiola . . . . . . . 315
7.5 Ensaios a vazio e de rotor bloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.5.1 Ensaio a vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
7.5.2 Ensaio de rotor bloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
7.5.3 Cál ulo dos parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
7.5.4 Relações aproximadas de fun ionamento em p.u. . . . . . . . . . . 322
7.6 Controle es alar de velo idade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
7.6.1 Fluxo de entreferro onstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
7.6.2 Variação da tensão de terminal do estator . . . . . . . . . . . . . . 326
7.6.3 Variação da orrente de terminal do estator . . . . . . . . . . . . . 327
7.6.4 Variação do número de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
7.6.5 Variação da frequên ia de alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7.6.6 Variação da resistên ia de rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
7.7 Frenagem elétri a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
7.7.1 Frenagem por inversão da sequên ia de fase . . . . . . . . . . . . . 331
7.7.2 Frenagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
7.7.3 Frenagem por orrente ontínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
7.8 Gerador de indução de rotor gaiola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
7.8.1 Gerador ligado à rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
7.8.2 Gerador autoex itado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
7.9 Motor monofási o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
7.9.1 Teoria dos dois ampos girantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
7.9.2 Métodos de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8 Regime Permanente de Máquinas de Corrente Contínua 349
8.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
8.1.1 Reação de armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
8.2 Equações bási as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.3 Classi� ação e fun ionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.3.1 Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.3.2 Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8.4 Prin ípio do ontrole de velo idade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.4.1 Controle por tensão de armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.4.2 Controle por variação do �uxo magnéti o indutor . . . . . . . . . . 382
8.5 Frenagen elétri a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.5.1 Frenagem dinâmi a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.5.2 Frenagem por inversão da tensão terminal de armadura . . . . . . 386
8.5.3 Frenagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
8.6 Ponto de fun ionamento e estabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
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ELSEVIER Conteúdo · xiii
9 Regime Permanente de Máquinas Sín ronas 395
9.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
9.2 Modos de operação da máquina sín rona ideal . . . . . . . . . . . . . . . . 396
9.2.1 Modo ompensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
9.2.2 Modo motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
9.2.3 Modo gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
9.3 Rotor de polos salientes: equações e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . 407
9.3.1 Determinação do δ, a partir de Va e Ia . . . . . . . . . . . . . . . . 410
9.3.2 Diagramas fasoriais na onvenção de re eptor . . . . . . . . . . . . 413
9.3.3 Potên ia e torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
9.3.4 Diagramas fasoriais do gerador na onvenção de gerador . . . . . . 420
9.4 Curva potên ia-ângulo, ponto de operação e potên ia de sin ronização . . 423
9.5 Rotor de polos lisos: equações e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . . . . 426
9.6 Controle do fator de potên ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9.6.1 Gerador isolado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
9.6.2 Gerador one tado à barra in�nita de tensão V∞ . . . . . . . . . . 430
9.6.3 Motor alimentado por uma barra in�nita . . . . . . . . . . . . . . 433
9.7 Diagrama ir ular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.8 Equação eletrome âni a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
9.8.1 Pequenas perturbações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
9.9 Determinação dos parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.9.1 Ensaio de ir uito aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.9.2 Ensaio de urto- ir uito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.9.3 Ensaio do es orregamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
9.9.4 Ensaio da máxima orrente de fator de potên ia atrasado . . . . . 444
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
10 Máquinas de Ímãs Permanentes 449
10.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
10.2 Máquinas de orrente ontínua de ímãs permanentes e om omutador . . 450
10.2.1 Máquina de �uxo radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
10.3 Máquina de �uxo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
10.4 Máquinas sín ronas de orrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
10.4.1 Tipos de rotores de �uxo radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
10.4.2 Classi� ação segundo a forma de onda da fem . . . . . . . . . . . . 455
10.4.3 Senoidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
11 Dinâmi a da Máquina de Corrente Contínua 463
11.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
11.2 Motor de ex itação independente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.2.1 Degrau de tensão de armadura om torque de arga onstante . . 468
11.2.2 Degrau de torque de arga om tensão de armadura onstante . . 469
11.2.3 Partida do motor om arga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
11.2.4 Modelo para pequenas variações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
11.2.5 Transitórios devido à variação da tensão de ex itação . . . . . . . 473
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�LivroElsevier� � 2018/10/16 � 14:37 � page xiv � #14
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xiv · Máquinas Elétri as e A ionamento ELSEVIER
11.2.6 Transitórios na frenagem elétri a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
11.3 Equações dinâmi as do motor om ex itação série . . . . . . . . . . . . . . 477
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
12 Máquinas de Indução Des ritas por Variáveis de Estado 481
12.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
12.1.1 Fluxos magnéti os on atenados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
12.1.2 Correntes elétri as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
12.1.3 Corrente de estator e �uxo magnéti o on atenado de rotor . . . . 485
12.1.4 Corrente e �uxo magnéti o on atenado de estator . . . . . . . . . 486
12.1.5 Corrente e �uxo magnéti o on atenado de rotor . . . . . . . . . . 488
12.2 Equações em p.u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
13 Uma Introdução ao Controle Vetorial de Máquinas de Indução 493
13.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
13.1.1 A ionamentos elétri os de alto e baixo desempenho . . . . . . . . . 494
13.2 Orientação de �uxo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
13.2.1 Orientação do �uxo magnéti o de rotor . . . . . . . . . . . . . . . 495
13.2.2 Orientação do �uxo magnéti o de estator . . . . . . . . . . . . . . 504
13.2.3 Orientação do �uxo magnéti o de entreferro . . . . . . . . . . . . . 511
13.3 Controle direto do torque e do �uxo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . 514
13.3.1 Fun ionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
14 Máquina de Indução Duplamente Alimentada 525
14.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
14.2 Modelo matemáti o no sistema de referên ia sín rono . . . . . . . . . . . 526
14.3 Regime permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
14.3.1 Equação de equilíbrio das potên ias ativas . . . . . . . . . . . . . . 529
14.3.2 Regiões de fun ionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
14.3.3 Equação de equilíbrio das potên ias reativas . . . . . . . . . . . . . 533
14.4 Orientação de �uxo magnéti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
14.4.1 Orientação do �uxo magnéti o de estator . . . . . . . . . . . . . . 538
14.4.2 Orientação do �uxo magnéti o de rotor . . . . . . . . . . . . . . . 539
14.4.3 Orientação do �uxo magnéti o de entreferro . . . . . . . . . . . . . 541
14.5 Controle direto de potên ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
14.5.1 Tensões de rotor em função de Ps e Qs . . . . . . . . . . . . . . . . 543Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
15 Máquinas Multifási as � Uma Introdução 547
15.1 Vantagens das máquinas multifási as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
15.2 Uma breve introdução históri a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
15.3 Enrolamentos de estator multifási os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
15.4 Modelo matemáti o de máquinas simétri as . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
15.4.1 Modelo da máquina de indução pentafási a simétri a . . . . . . . . 552
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ELSEVIER Conteúdo · xv
15.5 A máquina de indução hexafási a assimétri a . . . . . . . . . . . . . . . . 556
15.5.1 Modelo no referen ial esta ionário . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
15.5.2 Modelo no sistema de referên ia sín rono . . . . . . . . . . . . . . 563
15.5.3 Cir uito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
16 Transmissão e Conversão de Movimento - Uma Revisão 571
16.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
16.2 Transmissão e onversão de movimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
16.2.1 Potên ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
16.2.2 Volante de inér ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
16.3 Elementos bási os de transmissão e onversão . . . . . . . . . . . . . . . . 576
16.3.1 Engrenagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
16.3.2 Polias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
16.3.3 Correias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
16.3.4 Transmissão ontinuamente variável (TCV) . . . . . . . . . . . . . 586
16.3.5 Parafusos de potên ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
16.4 Re�exão das grandezas da arga ao eixo do motor . . . . . . . . . . . . . 591
16.4.1 Máquinas de �uido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
16.4.2 Máquinas de elevação e transporte de arga . . . . . . . . . . . . . 598
16.4.3 Máquinas-ferramenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
Exer í ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
Bibliogra�a 603
Índi e Remissivo 607
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Rico em ilustrações e exemplos didáti-cos, este livro traz o conteúdo da disciplina Máquinas Elétricas para o curso de Engenharia Elétrica de forma ampla, indo além da abordagem intro-dutória: trata das bases da conversão eletromecânica de energia e da opera-ção em regime permanente das máqui-nas de corrente contínua, de indução e síncronas, mas também apresenta o controle vetorial das máquinas de indução, sejam de rotor gaiola ou duplamente alimentadas, bem como as máquinas de indução multifásicas.
O impacto do controle vetorial nas aplicações de alto desempenho dinâmi-co e de regime permanente alterou profundamente o enfoque dado à modelagem das máquinas de corrente alternada, tornando obrigatório o ensino dos chamados vetores espaciais que, por essa razão, são abordados em um capítulo inteiro. A estrutura de cada capítulo baseia-se na exposição da teoria, com a descrição e a obtenção das equações fundamentais das máqui-nas elétricas, sendo que exemplos são apresentados com o objetivo de ilustrar os conceitos discutidos na teoria. Exercícios são propostos ao final de cada capítulo.
E D S O N B I M Engenheiro eletricista, mestre e doutor pela Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp. Professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp desde 1977, ministra as disciplinas de graduação Princípios de Conversão Eletromecânica e Máquinas Elétricas; e de pós-graduação, Acionamento Elétrico. Sua área de pesquisa é a de Controle de Máquinas Elétricas.
EDSO
N BIM
E D S O N B I M
MÁQUINASELÉTRICAS E ACIONAMENTO
MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTO
4 a E D I Ç Ã O
4a ed.
Este livro compreende três partes distintas que podem ser
associadas a três disciplinas diferentes, por se tratar de matéria
mais ampla do que aquela geralmente abordada na disciplina
básica de Máquinas Elétricas.
A primeira (capítulos 1 ao 4) aborda os princípios de conversão
eletromecânica de energia; a segunda (capítulos 5 ao 10) trata
das máquinas de campo estacionário e girante funcionando em
regime permanente; e a terceira (capítulos 11 ao 15) introduz o
controle vetorial aplicado às máquinas de indução, sejam gaiola
ou duplamente alimentadas, e o modelo das máquinas de
indução multifásicas. Uma revisão detalhada da transmissão e
conversão de movimento é dada no capítulo 16.
Bons estudos!
