Aula 01 Introdução à Máquinas Elétricas

INTRODUÇÃO À MÁQUINAS ELÉTRICAS

MÁQUINAS ELÉTRICAS

Máquinas elétricas são dispositivos de

conversão eletromecânica de energia e

podem operar como motores ou como

geradores.

Gerador: (Entrada - potência mecânica ; Saída - potência elétrica)

Motor: (Entrada - potência elétrica ; Saída - potência mecânica)

INTRODUÇÃO À MÁQUINAS ELÉTRICAS

GeradorPotência Mecânica

Excitação de campoPotência Elétrica

Motor Potência MecânicaExcitação de campo

Potência Elétrica

INTRODUÇÃO À MÁQUINA ELÉTRICASFUNDAMENTOS DA ELETROMECÂNICA

� Existem várias fontes para geração de energia: Hidráulica, gás,

diesel, carvão, nuclear, térmica, geotérmica, eólica, química, solar

� Eletricidade é a única forma de energia cujo controle, utilização e

conversão em outras formas de energia é relativamente fácil.

� Então será a principal forma de energia utilizada pelo homem.

� Isto torna o estudo de máquinas elétricas imprescindível.

INTRODUÇÃO À MÁQUINA ELÉTRICAS

CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA

� A conversão de energia relaciona as forças elétricas e magnéticas

associadas ao átomo com a força mecânica aplicada a matéria e

ao movimento.

� Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser

convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das

máquinas elétricas.


PRINCÍPIOS DA CONVERSÃO DE ENERGIA

A conversão eletromecânica de energia de praticamente todas as

máquinas elétricas girantes depende de dois princípios básicos:

�A indução magnética

�A força eletromagnética


PRINCÍPIO INDUÇÃO MAGNÉTICA

A primeira indicação da possibilidade de intercâmbio entre

energia elétrica e mecânica foi apresentada por Michel Faraday

em 1831.

Figura 1: disco de Faraday


Lei de Faraday� A descoberta de Faraday foi a geração de uma tensão devido o

movimento relativo entre um condutor de eletricidade e um campo

magnético.

� Esta tensão foi chamada de tensão induzida (f.e.m).

� A descoberta de Faraday deu início ao gerador elétrico, motor

elétrico, transformador, microfone, alto-falante, dentre outros.


Afirmativa geral da lei de Faraday

O valor da tensão induzida em uma simples espira

de fio é proporcional a razão de variação das linhas

de força que passam através da espira de fio.


Figura 2 - Princípio da indução magnética

e = Blvsen(θ)e = tensão induzida [ Volt ]B = Densidade de campo [ Wb/m2 ]V = velocidade do condutor [m/s]l = Comprimento do fio condutor [ m ]θ= Ângulo entre B e v


Sentido da tensão induzida: Regra de Fleming

Figura 3: Regra da mão direita


Lei de Lenz

Em todos os casos de indução eletromagnética, a

fem induzida fará que a corrente circule em um

circuito fechado, num sentido tal que seu efeito

magnético se oponha à variação que a produziu.


Lei de LenzConsidere-se o condutor (figura 4), como um gerador

elementar acionado por uma máquina primária na

direção ascendente.

Figura 4: Ilustração da lei de Lenz


Geradores elementares

� As máquinas primárias comerciais fornecem movimento rotativo

aos geradores elétricos comerciais.

� Portanto os condutores dos geradores comerciais giram em torno

de um eixo de rotação.


Geradores elementares

Figura 5: Fem senoidal gerada por uma bobina girando num campomagnético uniforme à velocidade constante.


Figura 6 - fem gerada por uma bobina em um campo constante

A fem induzida num determinado lado da bobina variará como seu movimento através das várias posições de 0 a 7,(figura 6).


Tensões nos enrolamentos das máquinas elétricas

� Todas as máquinas elétricas girantes, independentemente de seu

tipo, geram tensões alternadas.

� Afim de se converter a tensão alternada (CA) em tensão contínua

(CC) é necessário utilizar de um dispositivo de chaveamento

mecânico

� Este dispositivo é o comutador mecânico.


Note (figura 7) que as escovas estão perpendicular ao eixo dospólos, a comutação ocorre quando a bobina está perpendicular aocampo magnético ( na chamada zona neutra ou espaço interpolar).

Figura 7: Gerador elementar com comutador


Figura 8:gerador CC elementar

A tensão de saída embora pulsante terá

formato figura 8 devido a curvatura das

sapatas polares


Figura 9: efeito de quatro condutores e segmentos

O efeito de aumentar o número de bobinas elâminas do comutador, pode ser observado (figura9), na qual o comutador tem quatro segmentos.


Força eletromagnética

Um condutor elétrico, dentro de umcampo magnético, percorrido por umacorrente elétrica, fica submetido auma força, cujo sentido é dado pelaregra da mão esquerda.


Figura 10: Condutor percorrido por uma corrente num campo dentro de um campo magnético

F = Bilsen(θ)

F = força eletromagnéticaB = densidade de campoi = correntel = comprimento do condutorθ = ângulo entre B e i

INTRODUÇÃO À MÁQUINA ELÉTRICASSentido da força contra-eletromotriz.

Figura 11: Ação motora e ação geradora

� Assim, quando quer que ocorra a ação motor, umaação geradora ocorre simultaneamente.

� Portanto a mesma máquina pode operar tantocomo motor quanto como gerador.

PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

AVALIAÇÃO

01) O que são máquinas elétricas?

02) Qual é o tipo de potência de entrada e de saída para a máquina

operando como motor? E operando como gerador?

03) Cite três importantes fontes para geração de tensão dentro da

matriz energética brasileira

04) Descreva o princípio da indução magnética

05) O que diz a lei de Lenz?

06) Descreva o princípio da força eletromagnética

07) Qual é o papel da tensão gerada e do torque magnético quando

a máquina está operando como motor? E como gerador?


Comparação entre a açãomotora e a ação geradora

� Uma representação gráfica em termos deelementos rotativos para a ação motora e aação geradora é mostrada na figura 12.

� Esta representação é a chave paracompreensão da conversão eletromecânicade energia.


Figura 12 – ação motora x ação geradora


� Quando a máquina está operando como motor

a força contra-eletromotriz Ec é menor que a

tensão aplicada Va, e se opõe ao sentido da

corrente de armadura ia.

� Quando a máquina está operando como

gerador a força eletromotriz Eg é maior que a

tensão Va e tem o mesmo sentido da corrente ia.


As relações eletromecânicas fundamentais quedistinguem a máquina operando como gerador damáquina operando como motor:

No

Ação motora Ação geradora

1 O torque eletromagnéticoproduz a rotação

O torque eletromagnéticoopõe a rotação

2 A tensão gerada se opõe acorrente da armadura

A tensão gerada produz acorrente da armadura

3.

a c aV E ra i= + .

a g aV E ra i= −


Máquinas elétricas: aspectos construtivos

� Toda máquina elétrica girante possui em suaestrutura, uma parte fixa e uma parte móvel.

� A parte fixa é chamada de estator (estático) eparte móvel (parte que gira) chamada de rotor.


Máquinas elétricas: aspectos construtivos

� Possui dois enrolamentos: enrolamento de armadura eenrolamento de campo.

� O enrolamento de armadura destina a conduzir acorrente de carga da máquina elétrica

� O enrolamento de campo tem a função de produzir ocampo magnético necessário ao funcionamento damáquina.


Figura 13: máquina de corrente contínua

A máquina de corrente contínua é uma máquina de dupla excitação:� é alimentada com corrente contínua na armadura� é alimentada com corrente contínua no campo� O enrolamento de armadura se encontra no rotor� O enrolamento de campo se encontra no estator

Máquina de corrente contínua

INTRODUÇÃO À MÁQUINA ELÉTRICASMáquina síncrona

Figura 14: máquina síncrona

A máquina síncrona é uma máquina de dupla excitação:� é alimentada com corrente contínua no enrolamento de campo� possui corrente alternada no enrolamento da armadura� O enrolamento de armadura se encontra estator� O enrolamento de campo se encontra no rotor.

INTRODUÇÃO À MÁQUINA ELÉTRICASMáquina assíncrona - máquina de indução

Figura 15: máquina de indução

A máquina de indução também é uma máquina de dupla excitação:� é alimentada com corrente alternada armadura� é alimentada com corrente alternada no campo por indução� O enrolamento de armadura se encontra no estator� O enrolamento de campo se encontra no rotor.

PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

01) Qual é função do enrolamento da armadura?

02) Qual é a consequência da circulação de corrente pelo enrolamento de

campo?

03) Onde se encontra o enrolamento de armadura nas máquinas de corrente

contínua e qual é o tipo de forma de onda de tensão e corrente presente

quando a máquina está funcionando ?

04) Onde de encontra o enrolamento de campo da máquina síncrona e qual é o

tipo de forma de onda de tensão e corrente presente quando a máquina está

funcionando?

05) Qual o tipo de forma de onda da tensão e da corrente nos enrolamentos da

máquina de indução em funcionamento? e onde está o enrolamento de

armadura da máquina?

06) Para uma máquina comercial CC relacione: Cinco partes distintas do rotor e

cinco partes distintas do estator


Referências

Fitzgerald, A. E.; Kingsley Junior, C.; Stephen D.; Máquinas

Elétricas, 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006

Del Toro; V.; Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de

Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 1990

Kosow; I. L.; Máquinas Elétricas e Transformadores, 7. ed. Rio de

Janeiro:Globo, 1972

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