Projeto de um Motor Assincrono de Indução

Projeto de um Motor Assincrono de Indução

(Parte 1 de 6)

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE JARAGUÁ DO SUL – UNERJ

CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

tÓPICOS ESPECIAIS DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

PROJETO BÁSICO DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA DE INDUÇÃO

CLAUDENIR DA SILVA

ORIENTADOR:

Prof. Dr. Eng. FREDEMAR RÜNCOS

MAIO DE 2010

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE JARAGUÁ DO SUL – UNERJ

CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

tÓPICOS ESPECIAIS DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

PROJETO BÁSICO DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA DE INDUÇÃO

Trabalho de pesquisa e desenvolvimento do acadêmico da VII fase do curso de Engenharia Elétrica UNERJ.

CLAUDENIR DA SILVA

ORIENTADOR:

Prof. Dr. Eng. FREDEMAR RÜNCOS

MAIO DE 2010

RESUMO

O projeto desenvolvido tem como objetivo aplicar os conhecimentos adquiridos no curso de tópicos especiais de máquinas elétricas.

Nas páginas a seguir será mostrado de forma resumida o cálculo de uma Máquina Elétrica Girante (MEG), que neste caso trata-se de uma máquina aletada, de gaiola de esquilo e assíncrona. Serão definidos os materiais isolantes, condutores e dimensionamento eletromagnético da máquina. Também serão determinados os parâmetros físicos do equipamento.

sumário

LISTA DE FIGURAS 6

LISTA DE EQUAÇÕES 7

LISTA DE TABELAS 11

Introdução 12

MATERIAIS UTILIZADOS 13

PROJETO ELETROMAGNÉTICO BÁSICO DA MÁQUINA 16

ESQUEMA DE BOBINAGEM 32

PARÂMETROS FÍSICOS DA MÁQUINA 42

CONCLUSÃO 51

ANEXOS 52

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 60

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Isoladores 13

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 – definição da densidade de corrente no fio do estator 16

Equação 2 – densidade de corrente na gaiola do rotor 17

Equação 3 – indução média no entreferro 18

Equação 4 – fator de aproveitamento da máquina 19

Equação 5 – coeficiente de esbeltez 19

Equação 6 – valor de KLD 20

Equação 7 – valor do entreferro 21

Equação 8 – determinação do diâmetro 21

Equação 9 – diâmetro interno calculado 22

Equação 10 – diâmetro interno adotado 22

Equação 11 – diâmetro externo calculado 23

Equação 12 – diâmetro externo considerado 23

Equação 13 – equação do comprimento do pacote 23

Equação 14 – pacote calculado 23

Equação 15 – pacote considerado 24

Equação 16 – pacote total do motor 24

Equação 17 – cálculo do número de ranhuras do estator 24

Equação 18 – número de ranhuras 24

Equação 19 – cálculo do fluxo por pólos 24

Equação 20 – fluxo por pólo calculado 25

Equação 21 – determinação do número de condutores por fase 25

Equação 22 – número de condutores calculados 25

Equação 23 – número de condutores considerado 26

Equação 24 – determinação de espiras por bobina 26

Equação 25 – número de espiras por bobina calculada 26

Equação 26 – número calculado de espiras por bobina 26

Equação 27 – determinação do número de ranhuras 26

Equação 28 – limite do número de ranhuras do rotor 26

Equação 29 – número de ranhuras do rotor 27

Equação 30 – determinação do passo polar 27

Equação 31 – passo polar 28

Equação 32 – cálculo da seção do condutor 28

Equação 33 – seção do condutor 28

Equação 34 – número de fios 28

Equação 35 – seção de um condutor 28

Equação 36 – determinação da seção de cobre da ranhura 28

Equação 37 – seção de cobre da ranhura 29

Equação 38 – determinação da área da ranhura 29

Equação 39 – área da ranhura 29

Equação 40 – determinação da corrente da gaiola 29

Equação 41 – corrente na gaiola de esquilo 30

Equação 42 – determinação da seção da barra da gaiola 30

Equação 43 – seção da barra da gaiola de esquilo 30

Equação 44 – determinação da seção do anel de curto circuito 30

Equação 45 – seção do anel de curto-circuito 31

Equação 46 – determinação do número de ranhuras por pólo e fase 32

Equação 47 – número de ranhuras por pólo e fase 32

Equação 48 – determinação do passo polar 32

Equação 49 – passo polar 32

Equação 50 – passo do motor em projeto 33

Equação 51 – determinação do ângulo ocupado por uma ranhura 33

Equação 52 – ângulo ocupado por uma ranhura 33

Equação 53 – determinação das harmônicas do enrolamento 34

Equação 54 – harmônica fundamental 34

Equação 55 – determinação do fator de distribuição 34

Equação 56 – fator de distribuição para a harmônica fundamental 35

Equação 57 – determinação do fator de encurtamento 35

Equação 58 – fator de encurtamento para a harmônica fundamental 36

Equação 59 – determinação do fator de bobinagem 36

Equação 60 – fator de bobinagem para a fundamental 37

Equação 61 – determinação das harmônicas do estator 37

Equação 62 – harmônica fundamental da ranhura do estator 38

Equação 63 – determinação das harmônicas da ranhura do rotor 38

Equação 64 – harmônica fundamental para ranhura do rotor 38

Equação 65 – determinação do ângulo elétrico de inclinação 39

Equação 66 – ângulo elétrico de inclinação da ranhura do estator 39

Equação 67 – determinação do fator de inclinação 40

Equação 68 – fator de inclinação 40

Equação 69 – determinação da inclinação em número de ranhuras no estator 40

Equação 70 – inclinação da ranhura calculada 41

Equação 71 – inclinação da ranhura considerada 41

Equação 72 – determinação da inclinação das ranhuras do rotor 41

Equação 73 – inclinação das ranhuras do rotor 41

Equação 74 – determinação da resistência do estator 42

Equação 75 – resistência estatórica 42

Equação 76 – determinação da resistência da barra 43

Equação 77 - cálculo da resistência da barra 43

Equação 78 – determinação da resistência do anel de curto-circuito da gaiola de esquilo 43

Equação 79 – resistência do anel CC 44

Equação 80 – determinação da resistência da gaiola de esquilo 44

Equação 81 – resistência da gaiola 44

Equação 82 – determinação do fator de transformação de tensão 45

Equação 83 – fator de transformação da tensão 45

Equação 84 – determinação do fator de transformação de corrente 45

Equação 85 – valor de transformação da corrente 45

Equação 86 – determinação do fator de transformação da reatância 46

Equação 87 – valor de transformação da reatância 46

Equação 88 – kpe31 46

Equação 89 – kpe21 46

Equação 90 – kpe21 46

Equação 91 – kp31 47

Equação 92 – kp11 47

Equação 93 – determinação do coeficiente final 47

Equação 94 – determinação de kep 48

Equação 95 – valor de kep 48

Equação 96 - kpRanhura 48

Equação 97 – determinação do kpRanhura do rotor 48

Equação 98 - kpRanhura do rotor 48

Equação 99 – determinação da indutância de dispersão do estator 49

Equação 100 – indutância de dispersão do estator 49

Equação 101 – determinação da indutância de dispersão no rotor 49

Equação 102 – indutância de dispersão no rotor 49

Equação 103 – determinação da reatância magnetizante 50

Equação 104 – reatância magnetizante 50

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – indução média no entreferro da máquina em Teslas 18

Tabela 2 – relação entre diâmetro interno e externo 23

Tabela 3 – combinação do número de ranhuras N1/N2 27

Tabela 4 – valor para as demais harmônicas 34

Tabela 5 – fator de distribuição para as demais harmônicas 35

Tabela 6 – fator de encurtamento para as demais harmônicas 36

Tabela 7 – fator de bobinagem para as demais harmônicas 37

Tabela 8 – demais harmônicas para ranhura do estator 38

Tabela 9 – demais harmônicas da ranhura do rotor 39

Tabela 10 – dimensões da ranhura 46

Introdução

Saber como uma máquina elétrica funciona e seus componentes é extremamente importante para quem deseja atuar nesta área da engenharia, principalmente se o interesse for o de atuar na área de projetos, pois, o engenheiro deverá ter conhecimentos teóricos e práticos que vão muito além daqueles apresentados aqui neste trabalho.

Porém, conhecer os parâmetros de uma máquina elétrica tem mesma importância a aquele engenheiro que direcionar-se para áreas administrativas ou de vendas, possibilitando que este argumente, defenda suas opiniões, e porque não, dê sugestões de projeto aos responsáveis por determinada máquina.

Nas páginas seguintes, o objetivo será apresentar de modo sucinto os parâmetros e passos básicos para o projeto da máquina elétrica.

MATERIAIS UTILIZADOS

1.1 Materiais Isolantes

Os materiais isolantes tem papel muito importante na construção de máquinas elétricas. Tendo dois aspectos principais:

  • Realizar o isolamento entre condutores e entre massa (ou terra);

  • Em proporções importantes, modificam o campo elétrico em determinado local.

Para desempenhar este papel os isolantes devem ter alta resistência à passagem de corrente.

O principal processo, que é característico de qualquer condutor, é a polarização.

Os fenômenos devido à polarização podem ser medidos através do valor da constante dielétrica e pelos ângulos de perdas dielétricas.

Figura 1 – Isoladores

1.2 Materiais Condutores

1.2.1Fio de Cobre – Enrolamento e Condutores do Rotor

As principais matérias primas do cobre são o sulfeto de cobre e ferro (CuFeS2) e o sulfeto de cobre (Cu­2S). O enxofre é removido por calcinação, obtendo-se assim o cobre, sendo este transformado nos fornos para obter o cobre metalúrgico ou transformado pela eletrólise para obtermos o cobre eletrolítico.

O cobre é um dos metais mais versáteis, já que a combinação de suas propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e químicas dá ao material uma extensa gama de aplicações.

A condutividade elétrica do cobre é apenas inferior à da prata, sendo este o motivo para o cobre ser o material padrão para condutores elétricos. Este título foi atribuído ao cobre em 1913 pela Comissão Eletrotécnica Internacional como base da norma IACS.

A condução de eletricidade é a aplicação básica do cobre, destino de aproximadamente 45% do consumo anual.

Alguns exemplos de outras aplicações ao cobre são:

  • Tubos condensadores;

  • Eletroímãs;

  • Interruptores e relés;

  • Ligas como o latão e bronze para variadas aplicações;

  • Veneno agrícola e removedor de algas na purificação da água.

Ainda poderíamos citar inúmeras outras aplicações para o cobre, mas este não é o objetivo do trabalho.

Abaixo seguem informações diversas sobre o cobre eletrolítico:

  • Massa específica 8900 kg/m³

  • Resistividade de massa 1.5328 x 10-4 Ω.kg/m²

  • Resistividade volumétrica 1.7213 x 10-8 Ω.m

  • Condutividade IACS 100%

  • Eletronegatividade 1,9 (Escala de Pauling)

  • Capacidade calorífica 380 J/(kg*K)

  • Condutividade elétrica 59,6 106/Ω*m

  • Condutividade térmica 401 W/(m*K)

1.3Materiais Magnéticos

1.3.1Chapa de Silício

As chapas de silício são os mais utilizados, em volume, no Brasil e no mundo.

O aço silício é obtido através de laminação e a adição de silício faz com que os grãos fiquem maiores sendo mais fácil de orientá-los.

Este aço tem ampla utilização na fabricação de núcleos de transformadores e no circuito magnético de máquinas de corrente contínua e alternada.

Dados do aço silício:

Eletronegatividade 1,90 (Pauling)

(Parte 1 de 6)

Comentários