Maquinas eletricas

Maquinas eletricas

(Parte 1 de 10)

Mário Ferreira Alves (malves@dee.isep.ipp.pt) Departamento de Engenharia Electrotécnica Março de 2003

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Prefácio

Actualmente, podemos considerar as máquinas eléctricas (motores, geradores e transformadores) como parte integrante do nosso dia-a-dia. Os motores eléctricos, que podem utilizar-se tanto em aplicações de força motriz como em aplicações de tracção eléctrica, vulgarizaram-se de tal forma que podemos encontrá-los em aplicações tão diversas como uma máquina industrial de corte, um ascensor ou um aspirador.

Os geradores (alternadores e dínamos) podem encontrar-se nas centrais produtoras de energia eléctrica (hidroeléctricas, termoeléctricas (diesel, carvão, nucleares), eólicas, maremotrizes, etc.), hospitais e certos tipos de indústrias, ou mesmo num automóvel, mota ou bicicleta, por exemplo. Os transformadores são também largamente utilizados, tanto nos sistemas de transporte e distribuição de energia eléctrica, como em aplicações de domínio doméstico, tais como carregadores de bateria, telefones portáteis, candeeiros de lâmpadas de halogénio e muitas outras.

Também no domínio dos transportes, existem inúmeras aplicações das máquinas eléctricas. Como se sabe, os veículos cuja tracção resulta do movimento de um motor de combustão interna, necessitam, para o seu funcionamento, de máquinas eléctricas tais como o alternador, o motor de arranque e a “bobina” de ignição.

Sendo os veículos de tracção eléctrica uma realidade no que respeita aos transportes ferroviários, são também já uma grande aposta por parte do fabricantes de veículos rodoviários, nomeadamente automóveis, motas e bicicletas. Esta tracção é obviamente obtida a partir do movimento de rotação de um motor eléctrico (corrente contínua ou alternada). Refira-se também que o transporte de materiais em ambiente industrial é quase totalmente constituído por veículos eléctricos, quer sejam guiados por um operador (empilhadores), guiados automaticamente (AGV - Automatic Guided Vehicles) ou autónomos (robôs).

O estudo das máquinas eléctricas mostra-se então de grande importância para os cursos de engenharia, desde a Engenharia Mecânica (nomeadamente o ramo de Transportes), até à Engenharia Electrotécnica, que lhes deve dedicar um estudo mais aprofundado.

Para se perceber o funcionamento das máquinas eléctricas, é fundamental que se compreendam os princípios do electromagnetismo. Esta sebenta começa por introduzir conceitos relacionados com os Campo Eléctricos e Magnéticos. Depois, são abordados a transformação de energia mecânica em energia eléctrica (princípio de funcionamento dos geradores), a transformação de tensão/corrente eléctrica (princípio de funcionamento dos transformadores) e a transformação de energia eléctrica em energia mecânica (princípio de funcionamento dos motores).

Neste contexto, é fundamental perceber as características principais das máquinas eléctricas, sendo estas classificadas quanto ao seu princípio de funcionamento e abordados conceitos como rotor/estator, indutor/induzido, número de pólos e perdas/rendimento (Capítulo 5). Os capítulos 6 e 7 endereçam os motores eléctricos mais comuns: o motor de corrente contínua e o motor de indução, respectivamente.

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Actualmente, o controlo de velocidade de motores é efectuado utilizando dispositivos electrónicos, normalmente denominados de conversores electrónicos de potência. Desta forma, o Capítulo 8 descreve o princípio dos quatro grandes tipos de conversores electrónicos de potência - rectificadores, inversores, reguladores C e reguladores AC.

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1. ALGUNS FENÓMENOS INTERESSANTES6
1.1. Campos Gravítico, Eléctrico e Magnético6
1.2. Geração de Campo Magnético por Íman Permanente7
1.3. Geração de Campo Magnético por Corrente Eléctrica9
1.4. Porquê Espiras e Bobinas?1
1.5. O Fenómeno da Auto-indução12
1.6. O Fenómeno da Indução Mútua12
2. CONVERSÃO DE ENERGIA MECÂNICA EM ELÉCTRICA - GERADORES13
2.1. Indução de Força Electromotriz13
2.3. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Contínua (Dínamo)19
3. TRANSFORMAÇÃO DE TENSÃO/CORRENTE ELÉCTRICA - TRANSFORMADORES21
2.4 Relação entre Tensões e Correntes Primárias e Secundárias21
3.1. Enrolamentos Primário e Secundário2
3.2. Núcleo23
3.3. Transformadores Monofásicos e Trifásicos24
4.1. Força Electromagnética25
4.2. Princípio de Funcionamento do Motor de Corrente Contínua26
4.3. Princípio de Funcionamento do Motor de Indução26
4.4. Princípio de Funcionamento do Motor Síncrono27
5. CARACTERÍSTICAS DAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS28
5.1. Classificação das Máquinas Eléctricas28
5.2. Rotor/Estator e Indutor/Induzido28
5.3. Sincronismo e Número de Pólos29
5.4. Perdas e Rendimento30
5.5. Características Nominais31
6. MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA32
6.1. Algumas Considerações32
6.2. Motor de excitação separada (derivação)32
6.3. Motor de excitação série34
6.4. Dinâmica do movimento num motor DC34

Índice 2.2. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Alternada (Alternador)..16 4. TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA EM ENERGIA MECÂNICA - MOTORES...25 7. MOTOR DE INDUÇÃO................................................................................................. 36

7.1. Princípio de Funcionamento36
7.2. Arranque40
7.3. Controlo de Velocidade41
7.4. Travagem Regenerativa42
7.5. Aplicação em Veículos - Automóvel Eléctrico (EV1)43
8. CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA45
8.1. Dispositivos Semicondutores de Potência46
8.2. Conversores CA/C - Rectificadores48
8.3. Conversores C/CA - Inversores53
8.4. Conversores C/C - Reguladores C5
8.5. Conversores CA/CA - Reguladores CA57

ABC das Máquinas Eléctricas5/59 9. REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 59

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1. ALGUNS FENÓMENOS INTERESSANTES

1.1. Campos Gravítico, Eléctrico e Magnético

Campo é uma região do espaço onde se observam determinadas propriedades. A existência ou não de um campo numa determinada região do espaço é verificada através dos seus efeitos.

Por exemplo, se numa dada região um corpo de massa m lá colocado ficar sujeito a uma força, diz-se que nessa região existe um Campo Gravítico, definindo-se intensidade do campo gravítico -r G, como a força a que fica sujeito um corpo no seio de um Campo

Gravítico, por unidade de massa. A força de atracção entre massas é proporcional ao valor dessas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas:

F Mm r r

(não entrando com correcções relativistas)

A existência de Campo Gravítico numa dada região do espaço acarreta a existência de energia armazenada nessa região (energia potencial gravítica).

Um Campo Eléctrico, analogamente, é uma região do espaço onde se lá colocado um corpo carregado electricamente, este fica sujeito a uma força (Força de Coulomb - a força é directamente proporcional ao valor das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas). De forma análoga ao Campo Gravítico, Campo Eléctrico define-se como a força a que fica sujeita uma dada carga eléctrica, por unidade de carga, quando imersa nesse Campo Eléctrico:

F Qq r r

De facto, da propriedade conhecida de que dois corpos electricamente carregados, na proximidade um do outro, provocam uma força de atracção se as cargas forem de sinal contrário e de repulsão se forem do mesmo sinal. Ligando este facto experimental com a definição anterior, pode afirmar-se que uma das cargas “produz” o Campo Eléctrico e a outra (desde que de dimensões e de carga suficientemente pequenas para não produzir alterações sensíveis nas propriedades do espaço do Campo Eléctrico, isto é, desde que seja uma carga pontual e de pequeno valor), fica sujeita à acção desse Campo Eléctrico.

Podemos então deduzir que um Campo Eléctrico pode ser criado por uma distribuição de cargas eléctricas (algures no espaço e no tempo).

Sob o ponto de vista energético, a definição de Campo leva-nos à conclusão que a existência de um Campo Eléctrico numa dada região do espaço corresponde à existência de energia armazenada. Trata-se de energia eléctrica armazenada.

Quando uma carga livre (não sujeita a qualquer força de ligação com as partículas do meio) é colocada no meio de um Campo Eléctrico, ela adquire movimento, pois está sujeita à Força de Coulomb. Adquire assim energia cinética que lhe é transmitida pelo Campo (oriunda portanto de energia potencial eléctrica armazenada no espaço).

É de notar que num átomo, os electrões, ao se deslocarem a grande velocidade em movimento circular à volta do núcleo, teriam tendência a ser projectados para o exterior, devido à força centrífuga. Esta “fuga” não acontece pois existe uma força de atracção, de

ABC das Máquinas Eléctricas7/59 igual intensidade, exercida pelos protões no núcleo, que contrabalança a primeira, mantendo os electrões nas suas orbitas em redor do núcleo. Este fenómeno é equivalente ao verificado nos satélites artificiais geoestacionários, que têm de girar à mesma velocidade da terra para que permaneçam na mesma posição relativa (altitude de cerca de 36000 Km para que a força gravítica equilibre a força centrífuga). Se não existisse uma força de atracção gravítica por parte da terra, estes satélites sairiam das suas órbitas.

Pode portanto afirmar-se que sempre que existe Campo existe energia armazenada, e vice-versa, isto é, confunde-se a existência de Campo Eléctrico numa dada região do espaço com a existência de energia eléctrica armazenada nessa região do espaço.

Tal como para o Campo Gravítico e para o Campo Eléctrico, a existência do Campo Magnético manifesta-se pelos seus efeitos. Um Campo Magnético pode ser criado por cargas em movimento (corrente eléctrica) ou por um material (ferromagnético) magnetizado, provocando, por exemplo, que dois condutores na proximidade um do outro estejam sujeitos a uma força de atracção ou de repulsão, conforme o sentido da corrente que os percorre é o mesmo ou oposto, respectivamente.

1.2. Geração de Campo Magnético por Íman Permanente

O primeiro fenómeno magnético a ser observado foi o associado ao íman ou magneto “natural”:

Figura 1: Íman ou magneto “natural” ([2])

Estes magnetos naturais têm a propriedade de atrair o ferro não magnetizado. Nota-se ainda que a força de atracção é mais forte em duas regiões do magneto, denominadas pólos - Polo Norte e Polo Sul. Os materiais que depois de magnetizados mantêm essa

ABC das Máquinas Eléctricas8/59 propriedade têm características de “magnetização permanente”. De facto, a ocorrência deste fenómeno deve-se à existência de um Campo Magnético, de natureza similar aos Campo Gravítico e Campo Eléctrico referidos atrás.

O planeta Terra comporta-se como um íman gigante com um Polo Norte e um Polo Sul, ligeiramente desfasados (15º) dos respectivos pólos geográficos:

Figura 2: O Campo Magnético terrestre ([2])

A existência do Campo Magnético terrestre permite a utilização de bússolas, que não passam de pequenos ímans suspensos que se orientam segundo o magnetismo terrestre:

Figura 3: A bússola ([2])

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Saliente-se que, se considerarmos que o Polo Norte Magnético corresponde ao Polo Norte Geográfico ,a extremidade do íman que aponta para o Polo Norte é na realidade o seu Polo Sul, visto que pólos do mesmo nome se repelem e pólos de nomes diferentes se atraem. As linhas de força do Campo Magnético podem ser visualizadas com o auxílio de limalha de ferro:

Figura 4: Linhas de força do Campo Magnético criado por magneto ([2])

Note-se que, ao contrário do Campo Gravítico e do Campo Eléctrico, as linhas de força do Campo Magnético fecham-se sobre si próprias, isto é, formam circuitos fechados.

1.3. Geração de Campo Magnético por Corrente Eléctrica

A deslocação orientada de cargas (corrente eléctrica) também produz um Campo Magnético. De facto, diversas experiências efectuadas no século passado demonstram que a passagem de corrente eléctrica provoca o aparecimento de um Campo Magnético:

• Quando colocamos em proximidade dois condutores percorridos por corrente eléctrica, eles ficam sujeitos a forças de atracção ou repulsão (Força de Laplace), dependendo do sentido das correntes

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