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Máquinas e Motores

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APRESENTAÇÃO

Acreditamos que, como nós, você lute “por um Brasil melhor” na perspectiva do desenvolvimento da

Educação Profissional.

Você encontrará um material inovador que orientará o seu trabalho na realização das atividades

propostas. Além disso, percebera por meio de recursos diversos como é fascinante o mundo da “Educação

Profissional”. Gradativamente, dominará competências e habilidades para que seja um profissional de

sucesso.

Participe de direito e de fato deste Curso de Educação a Distância, que prioriza as habilidades

necessárias para execução de seu plano de estudo:

• Você precisa ler todo o material de Ensino;

• Você deve realizar toda as atividades propostas;

• Você precisa organizar-se para estudar

Abra, leia, aproveite e acredite que “as chaves estão sendo entregues, logo as portas se abriram”.

Esta disposto a aceitar o convite?

Contamos com a sua participação para tornar este objetivo em realidade.

Equipe Polivalente

COLÉGIO INTEGRADO POLIVALENTE

“QUALIDADE NA ARTE DE ENSINAR”

Máquinas e Motores


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MÁQUINAS E MOTORES

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ....................................................................................................5

MÓDULO II .................................................................................................. 6 UNIDADE I....................................................................................................... 6

CONVERSÃO DE ENERGIA........................................................................... 6 LEIS ........................................................................................................... 7

EXERCÍCIOS .......................................................................................................... 8

UNIDADE II...................................................................................................... 8

FENÔMENOS FÍSICOS................................................................................. 8 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 10

UNIDADE III ...................................................................................................12

BALANÇO DA ENERGIA ............................................................................. 12 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 13

UNIDADE IV ....................................................................................................13

CICLO DE HISTERESE E CORRENTE A VAZIO............................................. 14 ENERGIA ARMAZENADA E CICLO DE HISTERESE ...................................... 14

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 16

UNIDADE V .....................................................................................................16

POLARIDADE DE TRANSFORMADORES ..................................................... 16 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 18

UNIDADE VI ....................................................................................................19

ENSAIO À VAZIO DE UM TRANSFORMADOR.............................................. 19 ENSAIO À VAZIO ...................................................................................... 19

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 21

UNIDADE VII...................................................................................................21

ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO .................................................................. 21 PREPARAÇÃO DO ENSAIO......................................................................... 23

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 23

UNIDADE VIII..................................................................................................24 RENDIMENTO E REGULAÇÃO DE TRANSFORMADORES.............................. 24 PREPARAÇÃO DO ENSAIO......................................................................... 25

EXERCÍCIOS ....................................................................................................... 26

UNIDADE-IX....................................................................................................27

CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE .................................................................. 27 CAMPO GIRANTE PRODUZIDO POR UM SISTEMA TRIFÁSICO ................... 27

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 27


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UNIDADE-X.....................................................................................................28

PRESENÇA DO CAMPO GIRANTE NAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO ................ 28 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 29

UNIDADE-XI....................................................................................................30

MÁQUINA DE INDUÇÃO ............................................................................ 30 LIMITES MÁXIMOS DE POTENCIA DE MOTORES ....................................... 32

TIPO DE MOTOR ................................................................................................... 32

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS DE PARTIDA............................... 32 CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO ................................................................... 33 PARTIDA DOS MOTORES TRIFÁSICOS DE ROTOR BOBINADO................... 33 VARIAÇÃO DA VELOCIDADE DOS MOTORES TRIFÁSICOS ......................... 33

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 34

UNIDADE-XII ..................................................................................................34

ENSAIO COM O ROTOR LIVRE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO .... 35 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 36

UNIDADE-XIII .................................................................................................36

ENSAIO COM ROTOR BLOQUEADO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO................................................................................................................. 36

UNIDADE-XIV..................................................................................................38

MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNU IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS...... 38

UNIDADE-XV ...................................................................................................38 MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA ...................................................... 39

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 42

UNIDADE-XVI..................................................................................................42

MÁQUINAS SÍNCRONAS ........................................................................... 42 EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 46

UNIDADE-XVII.................................................................................................46

MOTORES MONOFÁSICOS......................................................................... 46

UNIDADE-XVIII ...............................................................................................50 FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS ............... 50

EXERCÍCIOS ........................................................................................................ 56

GLOSSÁRIO .............................................................................................. 57



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MAQUINAS E MOTORES

INTRODUÇÃO

Parabéns!!! Você concluiu com êxito o estudo do Módulo – Mecânica onde vimos introdução a

Cinemática, Movimento Uniforme, Função Horária do Movimento Uniforme, Movimento Uniformemente Variado,

Lançamento Vertical, Cinemática Vetorial, Movimento Circular. Agora você irá iniciar o estudo do Módulo VII -

MÁQUINAS E MOTORES, divididos em dezoito unidades, onde você estará tendo contato com teorias

importantes como: UNIDADE I: Conversão de energia e Leis; UNIDADE II: Fenômenos Físicos; UNIDADE III:

Balanço da Energia; UNIDADE IV: Ciclo de Histerese e Corrente a Vazio, Energia Armazenada e Ciclo de

Histerese; UNIDADE V: polaridade de transformadores; UNIDADE VI: Ensaio à vazio de um transformador;

UNIDADE VII: Ensaio em Curto-Circuito, preparação do Ensaio; UNIDADE VIII: Rendimento e Regulação de

Transformadores; UNIDADE IX: Campo Magnético Girante, Campo Girante Produzido por um Sistema Trifásico;

UNIDADE X: Presença do Campo Girante nas Máquinas de Indução; UNIDADE XI: Máquina de Indução,

Limites Máximos de Potencia de Motores, Tipo de Motores, Características dos Dispositivos de Partida, Chave

Estrela-Triângulo, Partida dos Motores Trifásico de Rotor Bobinado, Variação da Velocidade dos Motores

Trifásicos; UNIDADE XII: Ensaio com o Rotor Livre de um Motor de Indução Trifásico; UNIDADE XIII: Ensaio

com Rotor Bloqueado de um Motor de Indução Trifásico; UNIDADE XIV: Máquina de Corrente Continua

Identificação dos Terminais; UNIDADE XV: Máquinas de Corrente Contínua; UNIDADE XVI: Máquinas

Síncronas; UNIDADE XVII: Motores Monofásicos; UNIDADE XVIII: Funcionamento dos Motores de Indução

Monofásicos e seus respectivos exercícios – que vão proporcionar um desempenho eficiente na área.de

MÁQUINAS E MOTORES.

Nossa linha de trabalho abre um caminho atraente e seguro pela seqüência das atividades – leitura,

interpretação, reflexão, e pela variedade de propostas que mostram maneiras de pensar e agir, e que recriam

situações de aprendizagem.

As aprendizagens teóricas são acompanhadas de sua contrapartida prática, pois se aprende melhor

fazendo. Tais praticas são momentos de aplicação privilegiados, oportunidades por excelência, de demonstrar o

saber adquirido.

Nessa perspectiva, dois objetivos principais serão perseguidos neste material. De um lado, torná-lo

habilitado a aproveitar os frutos da aprendizagem, desses saberes que lhe são oferecidos de muitas maneiras,

em seu estudo, ou até pela mídia – jornais, revistas, rádio, televisão e outros - pois sabendo como foram

construídos poderá melhor julgar o seu valor. Por outro lado, capacitando-se para construir novos saberes. Daí

a necessidade do seu estágio para aliar a teoria à prática

A soma de esforços para que estes módulos respondessem as suas necessidades, só foi possível mediante a

ação conjunta da Equipe Polivalente.


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Nossa intenção é conduzir um dialogo para o ensino-aprendizagem com vistas a conscientização

participação para ação do aluno sobre a realidade em que vive.

A Coordenação e Tutores/Professores irá acompanha-lo em todo o seu percurso de estudo, onde as

suas dúvidas serão sanadas, bastando para isso acessar o nosso site:

www.colegiopolivalente.com.br.

Equipe Polivalente

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MÓDULO II

UNIDADE I

CONVERSÃO DE ENERGIA

CONCEITOS ELEMENTARES: Um grande número de dispositivos de Conversão de Energia se fundamenta, na atualidade, em princípios originados, principalmente, no acoplamento eletromagnético. Em vista disto, apresentamos, de forma simplificada, alguns conceitos físicos, cujo conhecimento e visualização entendemos como indispensáveis para se começar a estudar Conversão. CAMPO MAGNÉTICO: (Símbolo H)

λ=

µβ= F

H

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

acoplamento – juntar as partes, reunir dois a dois, encaixar. eletromagnético – Relativo a eletromagnetismo que é um campo da física eu investiga as propriedades dos campos magnéticos. espectro – imagem alongada e corada resultante da decomposição da luz (natural ou artificial), através de um prisma; disposição das freqüências de uma radiação em

ordem crescente.

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.

FLUXO MAGNÉTICO:(Símbolo φ )

SSH ⋅β=⋅⋅µ=φ As linhas de força de um 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. Consideramos a figura 1.2. Entre seus dois pólos temos um campo magnético (H), formado por um 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 S.H.µ=φ

Figura 1.2

INDUÇÃO MAGNÉTICA: (Símbolo β )

pólos – extremidade do eixo racional da terra; parte de

um ímã geralmente na extremidade para onde aparentemente convergem (pólo norte) ou donde divergem as linhas do fluxo magnético (pólo sul); terminal de gerador, bateria, circuito elétrico (pólo positivo, pólo negativo); - magnético: conceito deduzido experimentalmente da direção do campo magnético de um ímã permanente.

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SH

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 atravessaram a seção do pedaço de ferro. Para caracterizar este fenômeno, definimos indução magnética como sendo:

S

φ=β

PERMEABILIDADE MAGNÉTICA: (Símbolo µ )

Na experiência anterior, vimos que a concentração das linhas que atravessam a peça de ferro é maior do que a concentração das que atravessam o pedaço de madeira. Deduzimos, portanto, que o ferro é mais permeável que a madeira à passagem de linhas de força. REATÂNCIA: (Símbolo R) Representa para o circuito magnético o que a resistência representa para o circuito elétrico. É, pois uma posição à passagem do fluxo magnético.

P

1

AR =

µλ=

FORÇA MAGNETOMOTRIZ: (Símbolo F)

NiHF =λ⋅= É a força magnetizante, de corrente elétrica, que produz o campo magnético. Sua unidade é “Ampère - Espiras’’.

RF ⋅φ=

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.

indução – aparecimento de corrente elétrica quando se modifica o fluxo magnético que atravessa um circuito fechado; produção de energia elétrica à custa de trabalho

mecânico. permeável – que pode ser repassado ou transpassado; diz do terreno que absorve facilmente.

INDUTÂNCIA: (Símbolo L) Representa o coeficiente de proporcionalidade entre o fluxo magnético e a intensidade de corrente que dá origem ao fluxo.

iL

φ=

LEIS LEI DE FARADAY: (INDUÇÃO) Desde que haja, no interior de um condutor, uma variação do fluxo magnético, ele será sede de uma força eletromotriz que é proporcional à variação do fluxo no tempo.

dt

de

φ±=

LEI DE LENZ Dá o sentido de 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.

∫ =λ⋅ intIdH

Lei de Ampére aplicada aos circuitos

magnéticos ∫ ==λ NIFHd .

BIBLIOGRAFIA EDMINISTER, Joseph A. - Eletromagnetismo SLEMON, Gordon R.- Equipamentos Magnetelétricos DEL TORO, Vincent. – Eletromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems.

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EXERCÍCIOS 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 do 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 MAGNÉTICO

Densidade de corrente j

Corrente I

Intensidade de Campo Magnético - H

Força Magnetomotriz – F

Condutividade σ

Resistência 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 solenóide 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

analogia – ponto semelhante entre coisas diferentes. solenóide – bobina ou fio enrolado que, percorrido por uma

corrente elétrica, adquire as propriedades do ímã.

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

UNIDADE II

FENÔMENOS FÍSICOS INTRODUÇÃO Teremos nesta unidade, oportunidade, de observação relativamente a vários fenômenos físicos que nos acompanham no nosso dia a dia e, que sem dúvida fazem parte dos transdutores eletromecânicos.

espraiamento – ação ou efeito de espraiar; estender-se,

expandir-se, alargar-se.

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A observação e a diferenciação dos diferentes efeitos é importante para o entendimento da fundamentação dos transdutores. EXPOSIÇÃO DAS DIVERSAS PARTES 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 conversão, 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. Procedimentos Verificar, IN-LOCO, todos os componentes disponíveis no laboratório, argüindo o professor sobre sua função. 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 evidências experimentais, diz que uma força eletromotriz é induzida em um circuito elétrico, sempre que o fluxo magnético que atravessa esse circuito, varia.

⇒

∆λ∆=t

edt

de

λ=

Procedimentos Os condutores de uma bobina não são ligados a nenhuma fonte elétrica. No entanto, uma corrente elétrica pode percorrê-los. Basta que sejam submetidos a uma variação da imantação. Verifique.

Figura 2.1 As variações de imantação podem ser produzida, entre outras coisas, pelo deslocamento de um eletroímã, cujo enrolamento é percorrido por uma corrente contínua...

Figura 2.2

...ou ainda, pela rotação deste eletroímã. Verificamos 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 2.3 Uma corrente alternada, percorrendo a bobina produz uma imantação variável. Comprove e explique o fenômeno.

Figura 2.4

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.

imantação – tornar magnético.

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Figura 2.5 A rotação do eletroímã produz uma variação de imantação na bobina. Verifique.

Figura 2.6 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 2.7 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 2.8 BIBLIOGRAFIA DEL TORO, Vincent. – Eletromechanical Devices for Energy Conversion and Control Systems. KOSOW, Irving L. – Electric Machinery and Transformers. FITZGERALD, A.E. – Máquinas Elétricas.

EXERCÍCIOS

1) Suponha que em um determinado processo de conversão de energia houve uma melhoria dos meios de refrigeração. Isto implica em maior parcela de energia 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, 1500R =µ ;

em série com um entreferro de 3 mm de

Exercícios de Aprofundamento

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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

µβ=2

SF

2. 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.

relé – dispositivo eletromagnético que ao ser acionado pela

corrente de um circuito faz com que se abram, ou se

fechem, os contatos que governam a corrente de outro

circuito ordinariamente de potencia elétrica muito maior.

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UNIDADE III

Balanço da energia INTRODUÇÃO O Princípio da Conservação da Energia, estabelece que a energia não é criada nem destruída; ela meramente é mudada na forma, esta 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

OBJETIVO Verificar a existência e variação da força em um sistema de excitação única. 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 que produzam baixas densidades de fluxo no material magnético, para que se possa considerar toda f.m.m. aplicada ao entreferro. 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 reatância) sim, e conseqüentemente, a

inércia – propriedade que tem os corpos de persistir no

estado de repouso ou de movimento enquanto não intervém

uma força que altere esse estado.

força de atração ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

µφ

−=S2

1F

0

2 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. Se aplicarmos corrente alternada num valor compatível, podemos verificar que, para pequenas variações do entreferro o valor medido da força de atração mantém-se aproximadamente constante, fluxo se mantém (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 serem 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, conseqüentemente, uma elevação da corrente de excitação, dada a constância do valor eficaz da tensão aplicada. O aumento da corrente (e f.m.m.) faz conservar a amplitude do fluxo que é também senoidal no tempo. Aplica-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? 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

amplitude – espaço compreendido entre duas posições

extremas no movimento vibratório simples. reatância – Componente da impedância de um circuito de

corrente alternada devido a auto-indução ou capacidade no

circuito. senoidal – representação gráfica do movimento vibratório;

curva representativa das variações do seno em função do

ângulo ou do arco; o mesmo que sinusóide. osciloscópio – aparelho que registra as oscilações das

corrente alternadas. amperímetro – ou melhor amperômetro – aparelho

destinado a medir o número de ampéres de uma corrente

elétrica.

Máquinas e Motores


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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. BIBLIOGRAFIA FITZGERALD, A.E. – Máquinas Elétricas. KOSOW, Irving L. – Máquinas Elétricas e Transformadores. FALCONE, A. G. – Eletromecânica.

EXERCÍCIOS

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

E.A73,5F 2/1φ=

Determine a energia armazenada no transdutor quando o fluxo atingir o valor de 2,3 Wb, com a parte móvel bloqueada. 2. Considere a equação meccpoelet dWdWdW += 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?

3. O núcleo magnético, mostrado na figura abaixo tem uma seção transversal quadrada de 3 cm x 3 cm. Quando as duas seções do núcleo são justapostas, há entreferros de 1 mm de comprimento separando-as. A bobina tem 250 espiras e uma resistência de 7,5 Ω . A intensidade de campo magnético requerida pelo material magnético é desprezível.

(a) Suponha que uma fonte de corrente contínua de 40 V é conectada à bobina. Determine a força total que mantém unidas as duas seções do núcleo. (b) Suponha que uma fonte de corrente alternada de 100 V eficazes, a 60 Hz/s, é conectada à bobina. Determine a força que mantém as seções unidas. Qual é o seu valor médio?

UNIDADE IV


Máquinas e Motores


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CICLO DE HISTERESE E CORRENTE A VAZIO

INTRODUÇÃO Considere 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 i ϕ,

chamada “corrente de excitação”, circula no primário e estabelece um fluxo alternado no circuito magnético. Este fluxo induz uma f.m.m. (e1) no primário.

Figura 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: 11 eirV +ϕ=

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.

Figura 4.2

histerese – propriedade de certas substancias de

conservar a imantação.

As ondas de tensão e1 e o 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 i 'ϕ 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 i ''ϕ .

Deste modo é possível desenhar a curva completa da corrente de excitação i ϕ mostrada da figura

4.2.a. Se a corrente de excitação for 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 i ϕ . É a componente responsável pela

deformação da onda.

ENERGIA 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:

0dWdWdWdWdW cpoelemeccpoele +=⇒+=⇒

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

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15

Figura 4.3 A energia elétrica de entrada (id λ ) associada a uma variação no fluxo, é absorvida pelo campo. Esta energia absorvida é dada por:

( ) ( ) ϕϕ=λλ= ∫ ∫λ ϕ

dFdiWo ocpo

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. Portanto, parte da energia fica retida no material ferromagnético devido as suas propriedades magnéticas não lineares, e parte da energia devido a perdas no material magnético. Procedimento (Visualização da Característica B x H)

Sabemos que ( )1SfN44,4

EBfSBN44,4E

11 =⇒=

Por outro lado ( )2IN

Hλ

= . 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 λ são constantes, (transformador já construído), teremos então

IKIN

H =λ

= . 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

1BSB

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 indizará toda potência magnética entregue ao sistema. Como a potência de saída é praticamente nula (apenas consumida pelos instrumentos), a potência entregue pela fonte será FPH .

Sabemos que: fPH α e 2F fP α , assim,

fazendo a medição em duas freqüências f e f’, poderemos escrever:

KBmf2,2fBmKsP 226.1HF ⋅+⋅=

desde que Bm = constante

KBm'f2,2'fBmKsP 226.1HF ⋅+⋅=

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

Rmagxi

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.

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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 sinal da corrente (canal X). BIBLIOGRAFIA FITZGERALD, A.E. – Máquinas Elétricas. KOSOW, Irving L. – Máquinas Elétricas e Transformadores. SLEMON, Gordon R. – Equipamentos Magnetelétricos.

EXERCÍCIOS 1) Por que PF é desprezível quando o tempo para a realização do ciclo for elevado? 2) Por que a forma de onda de i ϕ 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.

UNIDADE V

POLARIDADE DE TRANSFORMADORES

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 primários e secundários. 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.


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17

Figura 5.1

a) enrolamentos concordantes V2 = e1 - e2 V1 = e1 b) enrolamentos discordantes V2 = e1 + e2 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 conseqüentemente 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 contrario 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),

indutor – aquele que induz: circuito que produz a indução

elétrica; aparecimento de corrente elétrica quando se

modifica o fluxo magnético que atravessa um circuito

fechado; produção de energia elétrica à custa de trabalho

mecânico.

originando daí a designação para a polaridade de transformadores. 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. PROCEDIMENTOS 1. Equipamentos Necessários:

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

2. Registrar para o transformador ensaiado:

VTI= VTS= SN = IIN= I2N=

DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE Os terminais H1;H2;X1;X2 devem

inicialmente ser marcados com giz. Método do Golpe Indutivo de Corrente Contínua

Ligam-se 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 X1. (marcados inicialmente com um giz). Montagem :

Figura 5.2

V1 deflete V2 deflete Polaridade

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.

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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 no mesmo sentido ⇒ Polaridade Aditiva. 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. 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

transformador – que transforma; aparelho que recebendo

a corrente elétrica, lhe modifica a tensão ou a voltagem.

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

BIBLIOGRAFIA OLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria e Ensaios KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores

EXERCÍCIOS

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.


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19

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.

UNIDADE VI

ENSAIO À VAZIO DE UM TRANSFORMADOR

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 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

Figura 6.1

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 primário I0 = 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 secundário Zc = Impedância da carga conectada nos terminais do circuito secundário ( Ω ).

Ensaio à vazio OBJETIVO O ensaio à vazio de transformadores tem como finalidade a determinação de: • Perdas no núcleo (PH + PF) • Corrente à vazio (I0) • Relação de transformação (KT) • Impedância do ramo magnetizante (Zm) PERDAS NO NÚCLEO (PO)

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20

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:

fBKPH 6,15 ⋅⋅=

Em que: PH = perdas por histerese em watts por quilograma de núcleo Ks = coeficiente de Steimmetz (depende do material) f = freqüência em Hz B = 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:

3222 10dBf2,2PF −=

Em que: PF = perdas por correntes parasitas em watts por quilograma de núcleo f = freqüência em Hz B = indução máxima em Wb/m2 d = espessura da chapa em mm Somando as duas perdas analisadas, obtemos as perdas totais no núcleo (Po)

PHPFPo +=

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

2ms

2msms

o

1ms

o

oms RZX;

I

EZ;

I

PR −===

oooqooopoo

o1o senIIcosII

IV

Pcos θ=θ=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=θ −

oqmp

op

1ms 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 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:

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21

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) ANÁLISE I) Determinar a relação de transformação a – com os valores de ensaio b – 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. BIBLOGRAFIA FITZGERALD, A.E. – Máquinas Elétricas. KOSOW, Irving L. –Máquinas Elétricas e Transformadores. FALCONE, A. G. – Eletromecânica. OLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria em Ensaios

EXERCÍCIOS 1) Qual enrolamento (AT ou BT) é normalmente utilizado para a execução do ensaio à vazio? Justifique. 2) Por que as perdas no cobre podem ser desprezadas 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) Por que a laminação do núcleo dos transformadores reduz as perdas por correntes parasitas (Foucault)? 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 primaria para o cálculo da impedância do ramo magnetizante.

UNIDADE VII

ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO

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 secundaria (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, conseqüentemente as perdas por histerese (PH α B1.6) e as perdas por

corrente de Foucault (PF α B2) podem ser desprezadas.

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22

O circuito equivalente para o ensaio em curto então fica:

Figura 7.2

onde: R = r1 + r’s 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. OBJETIVO O ensaio em curto-circuito permite a determinação de: • Perdas no cobre; • Queda de tensão interna; • Impedância, resistência e reatância percentuais. PERDAS NO COBRE (Pj) A corrente que circula no transformador depende da carga alimentada pelo mesmo. As perdas nos enrolamento, que são por efeito joule, podem ser expressas por:

222

211

222

211 IRIRIrIrPj ==+=

Onde

'211 rrR += 2

'12 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. QUEDA DE TENSAO INTERNA ( ∆ V)

A queda de tensão interna referida à AT, conforme o circuito equivalente simplificado é dada

por: 11IZV =∆ .

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. 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: Sistema P.U. ou %

base

basebasebasebasebasebasebase I

VZ;X;R;IVP =⋅=

Escolhendo-se (V.A)base e Vbase os outros parâmetros estarão determinados.

Valor BaseValor

alReValorU.P =

21

211

cc1

cc112

cc

j1 RZX;

I

VZ;

I

PR −===

100P

P100

P

IR100

I

I

V

IR100

R

R%R

N

j

N

2N11

N1

N1

N1

N11

base

1 ⋅=⋅=⋅⋅⋅=⋅=

100P

P%R

n

1 ⋅=

100V

V%Z100.

V

V100

V

IZ100

Z

Z%Z

N

cc

N1

cc

N1

N11

base

1 ⋅=⇒=⋅⋅=⋅=

Máquinas e Motores


23

21

211 RZX −= ( ) ( )22 %R%Z%X −=

Caso o teste tenha sido feito com

n1cc1 II ≠ podemos obter a seguinte correção:

cc1

n1cc1ccn1

n1

ccn1

cc1

cc11 I

IVV

I

V

I

VZ =⇒==

[ ]1IRP 2cc11cc1 =

2

cc1

n1cc1ccn1jn I

IPPP ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=≅⇒

[ ]2IRP 2n11ccn1 =

CORREÇÃO DO VALOR DA RESISTÊNCIA Durante o ensaio, os enrolamentos estão à temperatura ambiente ( Aθ ), 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:

( ) ( )A%RKF%R θ=θ ; ( ) ( )22 %XF%RA%Z +θ=θ

A1

F1

Kθ+

α

θ+α=

AF RKR θθ ⋅=

Onde:

Fθ = temperatura final (ºC) Aθ = temperatura ambiente (ºC)

α1 = 225 para o alumínio

α1 = 234,5 para cobre

PREPARAÇÃO DO ENSAIO

REGISTRAR OS DADOS DE PLACA DO TRAFO A SER ENSAIADO SN= KVA f = Hz V1= V V2= V I1 = A I2 = A MATERIAL NECESSÁRIO

• 1 transformador monofásico • 1 transformador variador de tensão

monofásico (Varivolt) • 1 amperímetro • 1voltímetro • 1 wattímetro • cabos para conexões

EXECUÇÃO 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 item 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. ANÁLISE 1. Calcule R1,X1,Z1 2.Calcule R%,X%,Z% 3.Corrija a impedância para a temperatura de operação do transformador ensaiado. 4. Calcule Vcc% BIBLIOGRAFIA FITZGERALD, A.E. – Máquinas Elétricas. KOSOW, Irving L. – Máquinas Elétricas e Transformadores. FALCONE, A. G. – Eletromecânica. OLIVEIRA, J.C. – Transformadores Teoria e Ensaios

EXERCÍCIOS

Máquinas e Motores


24

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 de 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 alteração são introduzidas no procedimento de cálculo dos parâmetros de transformadores? (Parâmetros de excitação e dispersão).

UNIDADE VIII

RENDIMENTO E REGULAÇÃO DE TRANSFORMADORES

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 torno de 500 KVA)

Figura 8.1

Observamos que o transformador de distribuição opera a maior parte do dia com aproximadamente 50% se 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)

Figura 8.2 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 secundaria (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 uma 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. 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. 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

Máquinas e Motores


25

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:

100P

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:

adicionaisperdasPP jccmax +=⇒η

adicionaisjcc PPP +=

↓

15% a 20% Pcc

fc = 1 p/ trafo força

fc = 1/2 p/ trafo dist.

( )jn

omax P

P2,1%fc =η

onde:

==n2

2

I

Ifc fator de carga; sendo I2n a corrente

nominal para o secundário do transformador. Po = perdas no núcleo Pjn = perda joule nominal Graficamente, temos o seguinte:

Figura 8.3

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 ( )1ccos =φ

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 ligar uma carga. Se a variação é pequena diz-se que a regulação é boa. A regulação de tensão é expressas por:

100V

VE%gRe

V

VEgRe

2

22

2

22 ⋅−

=−

=

E pode também ser dada por:

fccsen%Xfcccos%R%gRe ⋅φ⋅+⋅φ⋅=

Onde: R% = resistência percentual X% = reatância percentual cos φ c = fator de potência da carga

fc = fator de carga = n2

2

I

I

PREPARAÇÃO DO ENSAIO MATERIAL NECESSÁRIO

• 1 trafo monofásico • 1 transformador variador de

voltagem (Varivolt) • 1 carga resistiva variável

(Reostato) • 2 amperímetros • 2 voltímetros • 2 wattímetros

REGISTRAR OS SEGUINTES DADOS DE PLACA DO TRANSFORMADOR A SER ENSAIADO Sn = __________KVA Iin = __________A

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26

V1n = __________V In2 = __________A V2n = __________V f = __________Hz Observe se os instrumentos são compatíveis com os valores a serem medidos. 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:

Figura 8.4

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%

0,0

0,20

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,70

1,0

Nota: Nem sempre é possível realizar este ensaio para grandes transformadores face às dificuldades de obter-se cargas compatíveis com sua potência nominal. ANÁLISE 1. Com os dados da tabela obtida no item 4, traçar a curva η% x fc.

2. Classifique o transformador ensaiado (força ou distribuição). 3. Calcule o fator de carga para o rendimento máximo. 4. 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. BIBLIOGRAFIA OLIVEIRA, J.C – Transformadores – Teoria e Ensaios – Editora Edgard Blucher, 1984. KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores – Editora Globo, 1977.

EXERCÍCIOS

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.


Máquinas e Motores


27

UNIDADE-IX

CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE 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 deslocado 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 magnéticos, no entreferro.

CAMPO GIRANTE PRODUZIDO POR UM SISTEMA TRIFÁSICO

OBJETIVOS Mostrar através da utilização de 3 bobinas e da gaiola de esquilo a existência no campo gigante: MATERIAL UTILIZADO

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

REALIZAÇÃO PRÁTICA DO ENSAIO

Ligação das bobinas em Y - conforme esquema

Figura 9.1

3.1. Para uma tensão aplicada determinar os valores de i1, i2, i3 . V(V) Linha i1(A) Linha i2(A) Linha i3(A) Linha 3.2. Para a mesma tensão aplicada anteriormente (3.1) 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) Linha ZERO 3.3. 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. 3.4. Afaste as três bobinas simultaneamente da gaiola e veja o que ocorre com a velocidade de giro da mesma. 3.5. Para as mesmas bobinas anteriores faça a conexão em ∆ e alimente com uma tensão de

1/ 3 da anteriormente aplicada e determine. V(V) Linha i1(A) Linha i2(A) Linha i3(A) Linha 3.6. Para a mesma tensão do item 3.5 e fazendo i1 igual a zero. V(V) Linha i1(A) Linha i2(A) Linha i3(A) Linha ZERO 3.7. Repita o item 3.3 3.8. Repita o item 3.4

EXERCÍCIOS

Máquinas e Motores


28

1. Por que quando há a perda de uma fase (itens 3.2 e 3.6) as correntes nas outras fases aumentam de intensidade. 2. Justificar os itens 3.3 e 3.7, ou seja, porque há a inversão do sentido de giro da gaiola. 3. Justificar detalhadamente os itens 3.4 e 3.8. 4. Existe alteração na gaiola de esquilo quando as ligações das bobinas passam de Y para ∆ ? Porque? 5. Quais tensões (valores e correntes) teríamos se os instrumentos de medição fossem colocados como mostrado abaixo (ligação Y) para a mesma tensão de alimentação do item 3.1.

Figura 9.2

6. Compare os resultados anteriores com os obtidos em 3.1 e analise o ocorrido. 7. 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 3.5

Figura 9.3

UNIDADE-X

PRESENÇA DO CAMPO GIRANTE NAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO

INTRODUÇÃO 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. Conseqüentemente, para que haja conjugado, é necessário que o rotor tenha velocidade diferente da do campo girante, pois se fossem iguais não haveria indução de f.e.m. no motor. Portanto, só teremos conjugado no motor de indução, para velocidades diferentes da velocidade síncrona. A velocidade síncrona do campo girante é dada por:

p

f120N

60

N

2

Pf s

s =⇒⋅=

síncrono – sincrônico; simultâneo.

Máquinas e Motores


29

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

( ) srs

rs NS1NN

NNS −=⇒

−=

onde: f = freqüência p = número de pólos S = 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 novamente cortados pelo fluxo do campo girante, produzindo agora um conjugado resistente. Funcionamento como gerador. OBJETIVO Utilizando dois motores de indução, verificar a presença do campo magnético girante. PROCEDIMENTO 1) Ligar os motores conforme a figura 10.1 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 partir no 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 autotransformadores (varivolt trifásico no nosso caso). c) Partida estrela-triângulo, sendo estrela na partida e triângulo em funcionamento normal. 7) Responder as questões propostas.

Figura 10.1 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.

EXERCÍCIOS 1) O motor de indução parte se uma fase estiver em aberto? Por que? 2) O motor de indução continua em funcionamento se abrir uma de suas fases? 3) Como reduzir a corrente de partida de motor de indução:

Máquinas e Motores


30

– de rotor bobinado? - de rotor em gaiola? 4) Por que o motor de indução número 2 partiu com uma fase aberta mas com uma fase aberta mas com o motor número 1 em funcionamento? (ver figura 10.1) 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.

UNIDADE-XI

MÁQUINA DE INDUÇÃO INTRODUÇÃO Uma forma de exercitar 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

120fNs = (1)

f = freqüência aplicada ao estator p = número de pólos 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 pólos. 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 extremamente. Neste tipo, o circuito do rotor pode se fechar através de impedâncias externas.

Máquinas e Motores


31

Figura 11.1 – Rotor bobinado com Z1, Z2 e Z3 de impedâncias externas. b) Rotor gaiola de esquilo ou 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 11.2 – 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 conseqüentemente 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:

%100xNs

NrNs%S

−= (2)

Nr = velocidade mecânica do rotor Ns = velocidade síncrona do campo estator

( )NsS1Nr −= (3)

S = 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 Gaiola No momento em que se liga o estator à linha, desenvolve-se no rotor uma 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, diminuindo a f.e.m. induzida e conseqüentemente 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.

Máquinas e Motores


32

LIMITES MÁXIMOS DE POTENCIA DE MOTORES

TIPO DE MOTOR

FORNECIMENTO PARTI-DA

DIRETA

ROTOR EM GAIOLA – DISPOSITIVO AUXILIARES DE PARTIDA

ROTOR BOBI- NADO

MOTOR MONO-FÁSICO

TIPO Nº DE FIOS

TENSÃO (V)

CHAVE SÉRIE PARA- LELO

CHAVE ESTREL

A TRIAN-GULO

COMPENSADOR DE PARTIDA

RESISTEN- CIA REATAN-

CIA PRIMÁRIA

50% 60% 80% 70% 85%

MOTOR A 2 127 2CV MONOFÁ- D 3 220 5CV

SICO MOTOR

TRIFÁSICO

B 4 220 5CV 10CV 10CV 10CV 12,5CV

7,5CV 15CV 6CV 10CV

NOTA: 1) FONTE: ED – 1.3

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS DE PARTIDA DISPOSITIVO VALORES EM RELAÇÃO A

PARTIDA DIRETA (%)

APLICAÇÃO CARACTERÍSTICAS

Chave Série-

Paralelo

50

25

25

Motores 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

33

Cargas 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).

Chave e compensadora

(auto-transformador)

50

65

80

25

42

64

25

42

64

Cargas com conjugados resistentes de partida

próximos da metade do conjugado nominal do

motor.

Proporciona um conjugado de partida

ajustável as necessidades da carga.

Resistência ou reatância primária

70 A

85

70 A

85

70 A

85

Cargas com conjugado resistentes de partida maiores que 1/3 do

conjugado nominal do motor. Cargas de elevada inércia. Necessidade de

aceleração suave.

Utilizado quando o conjugado resistente de partida ou a inércia não permitem a utilização da chave y∆. Proporciona

aceleração suave. Produz perdas e aquecimento

Máquinas e Motores


33

quando utiliza resistência primária.

Motor com rotor bobinado

resistência rotórica

100

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 alimentador 2) 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 autotransformadores 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 com 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 3V mediante a

ligação dos enrolamentos em estrela.

Partida 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 reostato aplicado nos enrolamentos do rotor.

Para partida 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 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 é externa ao motor, e a variação do número de pólos de estator só se pode fazer em motores de construção especial para esse fim, que duplicam ou triplicam a velocidade.

No caso de motores de rotor bobinado a diminuição de velocidade pode ser feita, dentro de certos limites, pelo reostato do rotor, desde 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. MATERIAL UTILIZADO Equipamento:

1 unidade de motor de indução 1 unidade de máquina de corrente contínua 1 tacômetro

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 11.3.

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

Máquinas e Motores


34

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 100% 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 itens 5 e 6, calcular: a) Potência de saída do gerador de indução = Os

b) Fator de potência I.E.73,1

Pscos =φ

c) Escorregamento

100 xoSincronismVelocidade

RotorVelocidade-oSincronismVelocidade

Figura 11.3 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.

EXERCÍCIOS

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 do motor de indução: a – de rotor bobinado?

UNIDADE-XII

Máquinas e Motores


35

ENSAIO COM O ROTOR LIVRE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

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. RELAÇÃO DE MATERIAL UTILIZADO Motor de indução Wattímetro Amperímetros Voltímetros Medidos de r.p.m. Varivolt trifásico CARACTERÍSTICAS DO MOTOR

1.1. Pn = 1.2. Vn = 1.3. In = 1.4. Rotação = 1.5. Número de pólos =

MONTAGEM DA EXPERIÊNCIA

Vide esquema da figura abaixo:

Figura 12.1

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 12.2

Figura 12.3

r lido( Ω ) r1

(à temperatura ambiente) r1 ( Ω ) à

75ºC

GUIA PARA ANÁLISE Utilizando os valores obtidos no item 5.1. construir as curvas W0 = f(V) e I0 = f(V). A partir das referidas curvas, determinar: Won (W)

WA + V

(W) Wenr = r1 . Iion2 WFe = W −

0W(A +

V) – Wenr (W) 1. Calcular os parâmetros do ramo magnetizante

considerado o circuito paralelo.

Máquinas e Motores


36

Figura 12.4

A menos de um pequeno erro δ = 0

021

21110

21

2111 IxrVEIxrEV +−=⇒++=

≡ 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 motor bloqueado = ( Ω ) ≡ I0 ≡ corrente magnetização (valor de fase) = (A)

E1 =

fasePorwE

RFe

21

m = 0I

1EmZ =

2mZ.2

mR

mR.mZmX =

EXERCÍCIOS 1. Por que 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.

UNIDADE-XIII

ENSAIO COM ROTOR BLOQUEADO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO

TRIFÁSICO OBJETIVOS Determinar as perdas joule no estator e rotor Wjoule. Determinar os parâmetros do circuito equivalente R1, X1, r’2, x1, x’2p, r2 e x2. RELAÇÃO DE MATERIAL

1.1. Motor de indução 1.2. Wattímetro 1.3. Amperímetros 1.4. Voltímetros 1.5. Varivolt trifásico.

CARACTERÍSTICAS DO MOTOR Mesmo motor do ensaio com o rotor livre. MONTAGEM DA EXPERIÊNCIA

Figura 13.1

LEVANTAMENTO DOS DADOS DE ENSAIOS 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) Wjaule=W1 ± W2

Cálculo dos parâmetros

Máquinas e Motores


37

Figura 13.2

=−= 12in

jaule1 R

faseI

faseWR

=−= 1in

icc1 Z

faseI

faseVZ

=−−= 121

211 XRZX

( ) amb1 tR Ω

( ) amb1 tZ Ω ( )Ω1X ( ) º75R1 Ω ( ) º75Z1 Ω

Cálculo de r”2

Cº75rrRrrrR '211

'2

'211 =⇒−=→+=

Cálculo de x1 e x’2p

−='2

p2

1

1

r

x

r

x

Propriedade das proporções

−+

=+

⇒='21

1'

p21

1'

1'

p2

1

rr

r

xx

x

r

r

x

x

=⇒=⇒= 111

11

1

1

1

1 xXR

rx

R

r

X

x

'p211

'p2

'p211 xxXxxxX ⇒−=⇒+=

Cálculo de r2 e x2p – Só possível para MIT com rotor em anéis. Calculo de E2p Aplica-se tensão nominal ao estator, abrindo-se o circuito do rotor.

3

VE lido

p2 =

=p2E

Figura 13.3 Calculo de E1

021

2111 I.xrVE +−=

E1 = V V1 ≡ tensão nominal (valor de fase) I0 ≡ corrente de magnetizações (valor de fase) Calculo de r2

=⇒⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛= 2

2

1

p2'22 r

E

E.rr

Calculo de x2p

=⇒⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛= p2

2

1

p2'p2p2 x

E

E.xx

Máquinas e Motores


38

UNIDADE-XIV

MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNU IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS

IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DE UMA

MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA

OBJETIVO Procedimento prático para o conhecimento

de como identificar os terminais de uma máquina de corrente contínua.

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 14.1

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 pólo 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 terminais do campo. Com a máquina do laboratório possui quatro pólos, os terminais CD1

D2D3, D4D5, D6D são as frações dos campos excitados sobre cada pólo. 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

borne – peça de aparelho de rádio; alburno. comutação – substituição; permutação, troca.

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 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. 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.

Ω=SHR

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.

Ω=aR

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

Ω=pcR

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

Ω=sR

Fazer uma tabela comparativa entre os valores de resistência dos campos série, shunt, armadura e pólos de comutação. CONCLUSÕES Justificar o item 3.2 Justificar os itens 3.3, 3.4 e 3.5

UNIDADE-XV

Máquinas e Motores


39

MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

INTRODUÇÃO Uma característica destacada da máquina

de corrente contínua (MCC) é sua versatilidade. Por meio de varias 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 fora de onda alternada precisa, portanto ser retificada. A retificação mecânica é provida pelo comutador, que é um cilindro formado de lamina de cobre isoladas entre si e montadas sobre o eixo do rotor.

Se a 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: Imbricado ou Paralelo – A aparência é de folhas superpostas. Caracteriza-se eletricamente pela ligação dos extremos de uma mesma bobina as lâminas 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.

Figura 15.1

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.

Figura 15.2

FUNCIONAMENTO 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 COMUTADO 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.

Máquinas e Motores


40

TIPOS 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 série C) Gerador de excitação composta MOTORES 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.

Figura 15.3 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 de 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. DISPOSITIVOS 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:

( ) aa RVVI ∆−=

onde: I = corrente de partida VA = tensão de partida

V∆ = queda nas escovas Ra = 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.

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(a) Dispositivo de partida de motor-shunt. (b) Dispositivo de partida de motor-série.

(c) Dispositivo de partida de motor composto.

Figura 15.4 – Conexões esquemáticas de dispositivos de partida de motores shunt, série e compostos. Operações: Identificar a máquina de CC e dar a partida utilizando-se de pelo menos duas opções de campo de excitação. 1. Dar partida ao motor observando-se que:

a) O reostato de campo deve estar na posição de mínima resistência;

b) 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 gerador

a) 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. Leituras

a) 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:

Figura 15.5

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 e S2) com CC (Imáx = 10A) e registre o valor da tensão lida nos terminais conforme a figura abaixo:

Figura 15.6

Faça 3 leituras de tensão e corrente e

encontre a média para determinação de RS.

reostato – aparelho que permite fazer variar a intensidade

da corrente elétrica e que se utiliza para manter constante o

fluxo do circuito estabilizador de corrente elétrica.

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C) Armadura (RA)

Alimente os terminais da armadura (A1 e A2)

com CC (Imáx = 10A) e registre o valor de tensão lido nos terminais conforme a figura abaixo:

figura 15.7 Faça 3 leituras de tensão e corrente e encontre a média para a determinação de RA.

EXERCÍCIOS 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 tendão contínua a partir da corrente alternada gerada na armadura em um gerador CC?

BIBLIOGRAFIA FITZGERALD, A.E.; KINGSLEY, C. Jr.: A. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, 1975. KOSON, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores, Porto Alegre, Editora Globo, 1979. Catalogo WEG – Aplicação e Seleção de motores de corrente contínua.

Máquinas Elétricas – Guia de aulas praticas – UFMG.

UNIDADE-XVI

MÁQUINAS SÍNCRONAS

Máquinas e Motores


43

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:

me 2

P θ=θ

onde:

eθ = ângulo em unidades elétricas

mθ = ângulo mecânico

P = número de pólos A tensão de bobina de uma máquina de P pólos possa 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 rpm n/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 salientes b) 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 o 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 SÍNCRONOS

Com poucas exceções, os geradores síncronos são máquinas trifásicas, devido ás vantagens dos sistemas trifásicos para 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 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 em regime permanente.

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

alternador – que, ou o que alterna; máquina elétrica

geradora de corrente alternativa.

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

CONDIÇÕES 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:

Por meio de lâmpadas: ligam-se três lâmpadas

L1, L2 e L3 como indica a figura.

Figura 16.1 – Verificação de 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. 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. Por meio de um indicador de seqüência de fase. Para verificar se há concordância de fases, poderemos adotar um dos seguintes processos: a) Por meio de lâmpadas (figura 16.2 e 16.3)

Figura 16.2 – Indicador de concordância de fases

empregando duas lâmpadas; a) lâmpadas apagadas; b) lâmpadas acesas. Ligam-se duas lâmpadas entre fases idênticas (figura 16.2a) ou entre fases diferentes (figura 16.2b). 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 compõe 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

Máquinas e Motores


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maior lentidão possível no acender e no apagador das lâmpadas. A associação deve ser feita no momento em que a lâmpada L1 apagar.

Figura 16.3 – 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. A verificação da semelhança das ondas de tensão é feita por meio de um osciloscópio. MÉTODOS 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 PARTIDA 1. Curto-circuita-se o campo do motor síncrono

com uma resistência, a fim de reduzir o valor da tensão induzida.

2. Põe-se o motor síncrono a girar por um dos métodos abaixo.

3. 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 ser acionado até a velocidade síncrona. Há 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 SÍNCRONO OBJETIVO Analisar o princípio de funcionamento de um gerador síncrono e de um motor síncrono. PROCEDIMENTO

• Execução do Ensaio • Montar o esquema da figura abaixo

Figura 16.4 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. ANÁLISE 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. MATERIAL UTILIZADO 1 máquina síncrona 1 máquina de corrente contínua e seus acessórios 1 medidor de r.p.m. 1 voltímetro 1 frequencímetro Fonte DC para excitação da máquina síncrona 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.

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EXERCÍCIOS 1. Por que o enrolamento de campo de uma

máquina síncrona geralmente é no rotor? 2. Por que 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.

UNIDADE-XVII

MOTORES MONOFÁSICOS

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 têm 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. PRINCÍPIO DO MOTOR MONOFÁSICO Liguemos a uma fonte monofásica duas bobinas montadas em série, como indica a figura 17.1. 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.

Figura 17.1 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.

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Figura 17.2

Por que 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 ¼ 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 chamam fase auxiliar. 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 centrifugo, para um motor de ½ HP – 110 volts, a capacidade de condensador é de 130 microfarads aproximadamente.

Figura 17.3

Os motores monofásicos de potência compreendida entre 10 e 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.

Figura 17.4 Motor Monofásico com Coletor Estes são também chamados universais, porque 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, pequenos ventiladores, aspiradores de pó, secadores de cabelos, etc... 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 17.5.

Figura 17.5

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 17.6. 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.

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Figura 17.6

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 ϕ x

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:

n)p(nf` s −=

onde: ns – n é velocidade com que as barras cortam o

campo nx.

Então,

f.sn

n)(npnn)p(nf` s

ss' =

−=−=

Como o valor de s é muito pequeno, a freqüência é muito pequena e reatância oferecida a

essa corrente será Lf2πx '' = , 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 ϕ

y

será:

n)p(nf" s +=

Como n é muito pouco menor que ns podemos

tomar n = ns o que dá:

2f2Pnf" s ==

Sendo a freqüência dessa corrente igual ao

dobro da freqüência f , a reatância oferecida será:

fL4Lf"2X" Π=Π= , 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 contrario. Como a reatância X’ é muito pequena e a reatância X’’ muito grande, o fator de potência da corrente Tx terá um valor apreciável e o torque Ty um valor desprezível. Nestas condições o rotor gira no sentido do torque e Tx devido ao campo hx. Aumento do Conjunto 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. 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 centrífugo desliga o enrolamento auxiliar. O motor passa então a trabalhar como foi explicado anteriormente.

Figura 17.7 Há duas razões para se desligar o condensador quando o motor adquire velocidade. 1. A capacidade que permite conjugado máximo na

partida é muitas vezes maior do que a que permite máximo conjugado em carga: como exemplo, um motor de ½ HP, 110 volts,

necessita de um capacitor de 230-280µF para

um elevado conjugado de partida. O mesmo motor, para funcionamento normal como bifásico, necessita de um capacitor de apenas 15µF .

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

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49

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 semiciclo da corrente um deles é condensador e o outro resistência, e no outro semi círculo 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. Motores de Indução com Compensador de Partida e Condensador de Marcha 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 necessária 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%. 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. 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.

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 17.8 as duas bobinas A e B se acham ligadas em série, e seus campos se somam, resultando um motor bipolar.

Figura 17.8 Na figura 17.9 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 17.10. Os pólos norte da figura 17.9 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 enrolamento de pólos conseqüentes.

Figura 17.9

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Figura 17.10 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. 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 17.11. 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.

Figura 17.11

MOTORES DE COMUTADOR

MOTORES TRIFASICOS DECOMUTADOR 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 17.12 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.

Figura 17.12 BIBLIOGRAFIA FITZGERALD, A.E. KINGSLEY, C. Jr.: A. – Máquinas Elétricas, São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, 1975. KOSOW, I.L. – Máquinas Elétricas e Transformadores, Porto Alegre, Editora Globo, 1979. BOFFI, LUIZ V. – Conversão Eletromecânica de Energia, São Paulo, editora da Universidade de são Paulo, Brasil. SEPÚLVEDA, H.L. – Máquinas Elétricas – Guias de Aulas Praticas, Edições Engenharia, 1969.

UNIDADE-XVIII

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 10.8 Fitzgerald – Capítulo 11, ítens 11.1 e 11.2

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Falcone – item 6.19 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 18.1), como será visto posteriormente.

Figura 18.1 – 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 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 18.2 – Ligações de um MIM de fase dividida e capacitor permanente para 2 tensões; (a) ligação paralelo 110V; (b) ligação série 220V. FUNCIONAMENTO: Na aula anterior 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 90 graus elétricos um do outro (figura 18.3) 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 enrolamento 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: MIM de fase dividida de partida à resistência (ou, simplesmente, de fase dividida).

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a) Diagrama das ligações

b) Diagrama fasorial na partida

Figura 18.3 Neste caso, basta termos:

m

m

a

a

X

R

X

R>

A figura 18.3a mostra uma maneira de conseguir isto, ou seja: Enrolamento auxiliar → menos espiras com condutor de menor seção.

Enrolamento principal → mais espiras com condutor de maior seção.

Assim obtemos (na partida)

ammmm

aaa ZZZaltaXebaixaRZbaixaXealtaR

<⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

→→

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 18.4).

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 18.4 – características torque X velocidade. Vantagens: custo baixo Desvantagem: 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 MIM de fase dividida com partida a capacitor

a. Diagrama de ligação

b. Diagrama fasorial na partida

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c. Característica torque x velocidade

Figura 18.5

Neste tipo de motor, o torque de partida é melhorado com a inclusão de um capacitador em série com o enrolamento auxiliar, figura 18.5a, dimensionado de tal maneira a produzir um defasamento entre Im e Ia de quase 90 gruas, figura 18.5b, (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 sen α

Onde α = ângulo (defasamento) entre Ia e Im.

Novamente o enrolamento auxiliar é desligado após o motor ter partido, figura 17.5c, e conseqüentemente 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 requeiram a inversão de rotação do motor.

3. MIM de fase dividida com capacitor

permanente

a. Diagrama de ligações

b. Diagrama fasorial em funcionamento

c. Característica torque x velocidade Figura 18.6

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 unidade de aquecimento.

• Potências típicas.

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MIM de fase dividida a duplo capacitor

(a) diagrama de ligações

(b) Diagrama torque x velocidade

Figura 18.7 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 18.5b e figura 18.6b respectivamente. • Aplicações: em compressores de unidade

domesticas de ar condicionado. Nota sobre os capacitores usados nos 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 110 e 220 volts.

4. Em geral, Cp>> C. Ex.: Num motor de ½HP seria utilizado um capacitor de partida de 250µF e/ou um capacitor permanente de 25µF ,

aproximadamente. PRÁTICA É dividida em 3 partes, devendo efetuá-las na seqüência apresentada. Identificação dos enrolamentos de um MIM

Material:

1 MIM, fase dividida, com os terminais disponíveis, sem quaisquer ligações ou identificações.

1 ohmímetro.

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

1

Rox

o

2

Ver-

de

3

Verm

4

Marr

5

Azul

6

Amar

1Roxo

2Verd

3Verm

4Marr

5Azul

6Amar

Tabela 18.1

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.

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Figura 18.8 IMPORTANTE:

max1

IRR

EI ≤

+= do enrol. 1

PROCEDIMENTO: a) Toma-se um enrolamento qualquer (ex.: enrol.

1, figura 18.8), liga-se a uma fonte CC de tensão E em série com uma resistência R para limitar a corrente figura 18.8.

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) Marcam-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 18.9

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.

Figura 18.10

Pode ocorrer uma das seguintes situações: 1ª) Se I1 < I2, a figura 18.10a representa uma ligação aditiva. 2ª) Se I2 < I1, a figura 18.0b 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 formam um ângulo de 90 graus elétricos.

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OBS: Na 1ª situação, tem-se:

( ) ( )[ ]221

221

1MLLf2RR

VI

++π++=

Na 2ª situação, tem-se:

( ) ( )[ ]2212

21

2MLLf2RR

VI

−+π++=

1. Ligação e operação de um MIM, fase dividida Material

Motor anterior. capacitores necessários para partida e funcionamento. 2 chaves interruptoras monopolar. 1 voltímetro C.A. 1 amperímetro C.A.

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 18.2, abaixo:

Motor de Indução Monofásico

Marca: Nº..............

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

Capacitor de partida do tipo..............de........... µF

Tabela 18.2

PROCEDIMENTO 1. Ligar o motor monofásico para operação em

linhas de 220 vols. Partir com o capacitador 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 capacitador, mas com todos os enrolamentos do motor. O motor parte? Por que?

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

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

EXERCÍCIOS

1. Se o enrolamento auxiliar de um MIM, partida a capacitor, é desligado após a partida, ainda continuaremos a ter 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?

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GLOSSÁRIO ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. acoplamento – juntar as partes, reunir dois a dois, encaixar. alternador – que, ou o que alterna; máquina elétrica

geradora de corrente alternativa. amperímetro – ou melhor amperômetro – aparelho destinado a medir o número de ampéres de uma corrente

elétrica. amplitude – espaço compreendido entre duas posições extremas no movimento vibratório simples. analogia – ponto semelhante entre coisas diferentes. borne – peça de aparelho de rádio; alburno. comutação – substituição; permutação, troca. eletromagnético – Relativo a eletromagnetismo que é um campo da física eu investiga as propriedades dos campos magnéticos. espectro – imagem alongada e corada resultante da decomposição da luz (natural ou artificial), através de um prisma; disposição das freqüências de uma radiação em

ordem crescente. espraiamento – ação ou efeito de espraiar; estender-se, expandir-se, alargar-se. histerese – propriedade de certas substancias de conservar a imantação. imantação – tornar magnético. indução – aparecimento de corrente elétrica quando se modifica o fluxo magnético que atravessa um circuito

fechado; produção de energia elétrica à custa de trabalho

mecânico. indutor – aquele que induz: circuito que produz a indução elétrica; aparecimento de corrente elétrica quando se modifica o fluxo magnético que atravessa um circuito fechado; produção de energia elétrica à custa de trabalho mecânico. inércia – propriedade que tem os corpos de persistir no estado de repouso ou de movimento enquanto não intervém

uma força que altere esse estado. osciloscópio – aparelho que registra as oscilações das corrente alternadas. permeável – que pode ser repassado ou transpassado; diz do terreno que absorve facilmente. pólos – extremidade do eixo racional da terra; parte de

um ímã geralmente na extremidade para onde aparentemente convergem (pólo norte) ou donde divergem as linhas do fluxo magnético (pólo sul); terminal de gerador, bateria, circuito elétrico (pólo positivo, pólo negativo); - magnético: conceito deduzido experimentalmente da direção do campo magnético de um ímã permanente. reatância – Componente da impedância de um circuito de corrente alternada devido a auto-indução ou capacidade no circuito. relé – dispositivo eletromagnético que ao ser acionado pela corrente de um circuito faz com que se abram, ou se fechem, os contatos que governam a corrente de outro circuito ordinariamente de potencia elétrica muito maior. reostato – aparelho que permite fazer variar a intensidade da corrente elétrica e que se utiliza para manter constante o

fluxo do circuito estabilizador de corrente elétrica. senoidal – representação gráfica do movimento vibratório; curva representativa das variações do seno em função do ângulo ou do arco; o mesmo que sinusóide. solenóide – bobina ou fio enrolado que, percorrido por uma corrente elétrica, adquire as propriedades do ímã. transformador – que transforma; aparelho que recebendo a corrente elétrica, lhe modifica a tensão ou a voltagem.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste módulo, você encontrou conteúdo, textos e interpretações para apoiá-lo no seu Curso. Aqui, a

teoria é acompanhada da sua contrapartida – estágio – que será de grande valor para o seu enriquecimento

profissional.

Não pretendemos de forma alguma ditar receitas infalíveis. Nossa intenção é conduzir um diálogo

direcionado a você e dessa forma, ajudá-lo a desenvolver habilidades de estudo – consultas a dicionário,

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“Qualidade na Arte de Ensinar”

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