Introdução as Máquinas Elétricas
Prof. Luiz A. de S. Ribeiro UFMA
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Revisão
• Força em um condutor na presença de um campo magnético
F = i(l B)
Regra da mão direita: se o dedo indicador da mão direita apontar na direção do vetor l e o dedo médio na direção do vetor de densidade de fluxo B, então o dedo polegar apontará na direção da força resultante no fio.
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Revisão• Tensão induzida em um condutor que se move
em um campo magnético
eind = . l = (v B) .l
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Situando o problema
Conversores de energia
Conversores eletromecânicos de energia
Máquinas girantes
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A máquina girante e o seu uso
EE
EM
EE EM
EE: energia elétricaEM: energia mecânica
w
Pe = v.i
Tem Pm = Tem.w
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A máquina girante e o seu uso
EE EM
Carga
wvi
Motor
wvi
Gerador
MáquinaPrimáriaEE EM
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• Conclusões:
– Qualquer máquina girante pode trabalhar como motor ou gerador;
– O fluxo de potência ativa é suficiente para indicar se a máquina opera como motor ou gerador;• No funcionamento motor, a máquina recebe
potência ativa da rede elétrica de alimentação;
• no caso gerador, a máquina entrega potência ativa a rede de alimentação.
A máquina girante e o seu uso
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A máquina girante e o seu uso
• Conclusões:
– No funcionamento motor, a carga pode ser a mais variada possível, uma bomba d’água, um ventilador, ...
– No funcionamento gerador, a máquina primária é, em geral, de origem:• Hidro;
• Térmica (convencional, nuclear, ...)
• Eólica (eixo vertical, eixo horizontal, ...)
• Elétrica (motor cc, motor ca,...).
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As Perdas
• Perdas = Pot. de entrada – Pot. de saída
Origem: {mecânica:
elétrica:
{ atrito
ventilação
{cobre: I2R
ferro { eddy
histerese
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Conjugado Eletromagnético
S
N N S
FixoMóvel
q
N S
Fixo
Móvelq
Barra de ferro
O ímã gira no sentido anti-horário, na direção de obter o fluxo máximo
A barra de ferro gira no sentido horário, na direção de obter o fluxo máximo.
N S
Fluxo
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Conclusões:
Um Tem é produzido pela interação dos campos magnéticos das peças fixa e móvel, mesmo que um deles exista por ação de indução do outro;
Não houve ação externa para criação do conjugado. Este Tem é do tipo eletromagnético;
O valor do Tem depende da posição relativa (q) entre as peças. Por exemplo, uma vez alinhadas, tem-se Tem = 0;
Por extensão, se as duas peças girarem simultaneamente com a mesma velocidade, garantindo entre si a mesma posição relativa (q), o Tem será o mesmo que aquele obtido com as peças estáticas.
Conjugado Eletromagnético
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Máquina Girante Elementar
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Máquina Girante Elementar
Produção de conjugado
unidirecional
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Ponto de Funcionamento
Operação motora:
A máquina contém campos magnéticos no estator e rotor, o que lhe capacita a produzir Tem. Este conjugado tem o mesmo sentido da rotação.
Motor
w
Tem
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Ponto de FuncionamentoOperação motora:A ação de uma carga também produz um conjugado. Um pedaço de madeira, por exemplo, apoiado sobre o eixo girante, cria um conjugado que tende a frenar a máquina (motor). Esse conjugado, denominado de conjugado resistente (Tr) ou de carga, tem sentido contrário ao movimento.
Carga
wvi
Tem
Tr
Motor
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Ponto de Funcionamento
Operação motora:
O equilíbrio na operação motora é conseguido somente quando os conjugados eletromagnético e de carga forem iguais.
Tem = Tr
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Operação geradora:
Neste caso, a máquina primária é responsável pelo acionamento do gerador. Daí se concluir que Tr atua no sentido da rotação do gerador. Para o estabelecimento do equilíbrio dinâmico o conjugado eletromagnético Tem atua no sentido contrário a rotação. Aqui também vale a relação: Tem = Tr
Ponto de Funcionamento
w
vi
Gerador
MáquinaPrimária
Tr Tem
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Ponto de FuncionamentoO equilíbrio entre os conjugados eletromagnético e de carga ou da máquina primária não se da de maneira ocasional e imprevisível. Toda máquina elétrica, bem como toda carga ou máquina primária são independentes uma da outra e têm características bem definidas que relacionam o conjugado com a velocidade. Como exemplo, são mostradas a seguir as características de T w do motor de indução e de uma carga tipo ventilador:
Motor de indução Ventilador
TrTem
w w
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Suponha que o motor e o gerador sejam acoplados. Qual seria o ponto de funcionamento do conjunto motor/ventilador? Sabe-se que será necessário fazer Tem = Tr e para tanto, basta sobrepor as duas curvas. O ponto P é o ponto de equilíbrio.
Ponto de Funcionamento
T
w
P: ponto de equilíbrio
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Ponto de Funcionamento
Resta-nos a questão: será que P é um ponto de equilíbrio estável?
P é estável
T
w
T
w
TrTem >
P P
Ação de aceleração Ação de freio
TrTem <
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Produção de Conjugado MédioJá foi afirmado que a iteração dos campos magnéticos do estator (CE) e do rotor (CR) provoca o aparecimento de um conjugado eletromagnético. Suponha que os dois campos tenham velocidades distintas:
O ponto A na figura vê o ponto B passar com a velocidade relativa wr - we. Isso faz com que CE assuma todas as posições em 360º em relação à CR, mesmo que a diferença de velocidade seja mínima. Logo, durante metade do percurso há uma ação de atração e na outra metade de repulsão.
we
CE CRwr
wr >we
wr - we = velocidade relativaq
AB
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Produção de Conjugado Médio
Supondo uma distribuição senoidal, pode-se indicar esta seqüência de alternância da seguinte maneira:
wr - we = 0 Tmédio ≠ 0
wr - we ≠ 0 Tmédio = 0
Conclusão: a única possibilidade de produção de conjugado médio diferente de zero é ter a velocidade relativa entre os dois campos igual a zero. Cada máquina se arranja de forma peculiar para atingir esta exigência.
q
Atração
Repulsão
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Número de PólosUm outro aspecto importante da interação entre os dois campos, tem uma importância fundamental: trata-se do número de pólos dos enrolamentos do estator e do rotor da máquina.
Dada a configuração abaixo, qual é o sentido de rotação?
S
S
N N
S
N
O pólo norte do rotor é atraído pelo pólo sul do estator e tentará girar no sentido anti-horário. O pólo sul do rotor será atraído pelo pólo norte do estator e tentará girar no sentido horário. Por razões de simetria, os conjugados serão iguais e de sentido contrário.
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Considere outra configuração:
Número de Pólos
NS
NS
S
S
N N
É fácil observar que todos os pólos, norte e sul, serão atraídos pelos contrários do estator e procurarão girar no sentido horário.Conclusão: a única possibilidade de produção de conjugado é ter um número de pólos no rotor igual ao número de pólos do estator.
Classificação das Máquinas
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• Universo das máquinas elétricas
MOTOR C.A.
MONOFÁSICO
UNIVERSAL
TRIFÁSICO
ASSÍNCRONO
SÍNCRONO
ASSÍNCRONO
GAIOLA DE ESQUILO
ROTOR BOBINADO
SPLIT - PHASE
CAP. PARTIDA
CAP. PERMANENTE
CAP. 2 VALORES
PÓLOS SOMBREADOS
REPULSÃO
RELUTÂNCIA
HISTERESE
DE GAIOLA
DE ANÉIS
IMÃ PERMANENTE
PÓLOS SALIENTES
PÓLOS LISOS
MOTOR CC
EXCITAÇÃO SÉRIE
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE
EXCITAÇÃO COMPOUND
IMÃ PERMANENTE
SÍNCRONO
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