(Parte 3 de 5)

Uma força eletromagnética existirá entre um condutor e um campo sempre que o condutor percorrido por uma corrente estiver localizado no campo magnético, numa posição tal que haja uma componente do comprimento ativo do condutor perpendicular ao campo campo força corrente

Figura 10 – Condutor de comprimento ℓ, percorrido por uma corrente I, num campo magnético B, desenvolvendo uma força F.

Professora: Margareth N. Silva Disciplina: Máquinas Elétricas

2.9 Força contra-eletromotriz

A força contra-eletromotriz é desenvolvida em sentido contrário ao da circulação da corrente (e fem) que criou a força ou movimento. Isto está de acordo com a Lei de Lenz e mostra que uma ação geradora é simultaneamente desenvolvida quando queremos que ocorra uma ação motora.

2.10 Ação Motora x Ação Geradora

A ação geradora e a ação motora ocorrem simultaneamente nas máquinas elétricas girantes.

Portanto a mesma máquina pode ser operada tanto como motor quanto como gerador, ou como ambas (ex: conversor síncrono ou dinamotor).

Quando a máquina é operada como gerador, a corrente de armadura tem o mesmo sentido da fem gerada, e a fem gerada é maior que a tensão dos terminais da armadura que é aplicada à carga.

Esta distinção entre ação geradora e ação motora dá origem às seguintes equações básicas do circuito de armadura:

Ua

= tensão aplicada (medida nos terminais) de lado a lado da armadura

Ec=

fcem gerada, desenvolvida na armadura do motor

Eg=

fem gerada, desenvolvida na armadura do gerador

= queda de tensão na armadura devido à circulação da corrente da armadura através de uma armadura de dada

Ia Ra resistência Ra

Para um motorUa = Ec + Ia Ra

Para um gerador Eg = Ua + Ia Ra

Figura 1 - Regra da mão esquerda e ação motora Figura 12 - Regra da mão direita e a ação geradora

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Quando circula a corrente de armadura Ia, Ec e Eg são quantidades determinadas apenas por cálculos e Ua é uma quantidade mensurável por um voltímetro. Relações eletromagnéticas fundamentais da máquina operando como gerador e como motor

Ação Motora Ação Geradora 1. O torque eletromagnético produz(ajuda) a rotação 1. O torque eletromagnético (desenvolvido no condutor percorrido pela corrente) opõe-se à rotação (Lei de Lenz)

2. A tensão gerada se opõe à corrente de armadura(Lei de Lenz)

2. A tensão gerada produz (ajuda) a corrente da armadura

3. Ec = Ua -IaRa 3. Eg = Ua + RaIa

2.1 Torque Eletromagnético

Como já abordado em itens anteriores, a conversão eletromecânica de energia não é completamente reversível, parte da energia se perde na forma de aquecimento.

Os princípios que regem as máquinas de corrente alternada (CA) são fundamentalmente os mesmos que regem as máquinas de corrente contínua.

O torque desenvolvido por uma máquina elétrica (CA ou C) é expresso por uma equação derivada da lei de Ampère. Esta equação é semelhante para estes dois tipos de máquinas, a única diferença reside nos detalhes de construção mecânica. Da mesma forma, a tensão induzida é expressa por uma equação formulada pela lei de Faraday, diferenciando-se apenas pela forma construtiva.

Em um sistema mecânico, as grandezas fundamentais são torque e velocidade, assim como num sistema elétrico as grandezas fundamentais são a tensão e a corrente elétrica. Como a conversão eletromecânica de energia envolve a transformação da energia elétrica em mecânica e vice-versa, essas grandezas são de suma importância no estudo do torque eletromagnético. A ação motora ocorre quando injetamos corrente elétrica num condutor que pode girar livremente num campo magnético. Uma força expressa pela equação F = I2 l B, sendo: B = µµµµI1 / (2pipipipir), é produzida em cada condutor e a resultante será um torque eletromagnético T que gera uma velocidade angular ωωωω, figura 13.

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Como a ação motora ocorre simultaneamente com a ação geradora, no momento em que é gerado o torque, uma fem de reação será experimentada pela máquina. Já na ação geradora, ao girarmos o rotor da máquina elétrica por meio de uma máquina primária, uma fem é induzida nos terminais dos enrolamentos. Quando aplicamos uma carga elétrica a esses terminais, fechando o circuito elétrico, uma corrente elétrica circula pelo enrolamento que interage com o campo magnético produzindo um torque de reação oposto ao torque criado pela força motriz, obedecendo à lei de Lenz.

O torque (também chamado conjugado, momento ou binário) é a tendência do acoplamento mecânico (de uma força e sua distância radial ao eixo de rotação) para girar um eixo.

Para determinar o comportamento do sistema formado pela máquina mais a carga (ou outro sistema mecânico a ela acoplado) torna-se necessário estabelecer uma equação mecânica para movimento, a qual é obtida a partir das Leis de Newton. No caso de um motor o sistema mecânico nada mais é do que a carga e o torque resistente é representado pelo torque resistente da carga TL, figura 14.

TL - torque resistente, o qual depende do sistema mecânico acoplado ao eixo da máquina (N.m) T - torque eletromagnético aplicado no eixo

Campo de acoplamento

Sistema elétrico Sistema mecânico

T, ωωωωm e, i

Figura 13 – Representação em bloco da conversão eletromecânica de energia

Figura 14 - Representação esquemática dos torques que atuam no rotor.

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O torque não deve ser confundido com o trabalho. O torque existe como produto de uma força f pela distância radial ao centro do eixo de rotação e mesmo que o corpo não gire, o torque não é nulo pois a distância considerada, neste caso, é a distância radial e ela nunca será zerada. Já o trabalho é o produto de uma força f que atua na mesma direção na qual o corpo se move pela distância d. Se há uma força aplicada, mas não há movimento, nenhum trabalho é realizado.

2.12 Campo girante e campo pulsante

2.12.1 Campo pulsante

Consideremos um enrolamento distribuído no estator de um motor de indução monofásico. A corrente monofásica que percorre o enrolamento gera um campo magnético que acompanha a variação senoidal da corrente, formando sempre um par de pólos N-S, cuja posição depende o sentido da corrente. Diz-se que o campo é pulsante, isto é, o campo muda de polaridade, mantendo fixo o eixo de simetria, figura 15.

A figura 15 mostra um “enrolamento monofásico” atravessado por uma corrente I, e o campo H é criado por ela; o enrolamento é constituído de um par de pólos (um pólo “norte” e um pólo “sul”), cujos efeitos se somam para estabelecer o campo H. O fluxo magnético atravessa o rotor entre os dois pólos e se fecha através do núcleo do estator.

Figura 15 – Campo magnético pulsante

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Se a corrente I é alternada, o campo H também é, e o seu valor a cada instante será representando pelo gráfico desta figura, inclusive invertendo o sentido em cada meio ciclo.

O campo H é “pulsante” pois, sua intensidade “varia” proporcionalmente à corrente, sempre na “mesma” direção norte-sul.

2.12.2 Campo girante

Se em vez de um motor monofásico considerarmos um trifásico, as correntes trifásicas que percorrem os enrolamentos (fases) do estator vão gerar, em cada fase, campos pulsantes, defasados de um ângulo igual ao da defasagem entre as tensões aplicadas, cujos eixos de simetria são fixos no espaço, mas cuja resultante é um campo que gira num determinado sentido, denominado campo girante, figura 16.

A figura 16 mostra um “enrolamento trifásico”, que é composto por três monofásicos espaçados entre si de 120o. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 criarão, do mesmo modo, os seus próprios campos magnéticos H1, H2 e H3. Estes campos são espaçados entre si de 120o. Além disso, como são proporcionais às respectivas correntes, serão defasados no tempo, também de 120o entre si e podem ser representandos pelo gráfico da figura. O campo total H resultante, a cada instante, será igual à soma gráfica dos três campos H1, H2 e H3 naquele instante.

Figura 16 – Campo magnético girante

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A figura 17 representa a soma gráfica para seis momentos distintos.

No instante ( 1 ), a figura 17, mostra que o campo H1 é máximo e os campos H2 e H3 são negativos e de mesmo valor, iguais a 0,5. Os três campos são representados na figura 17 ( 1 ), parte superior, levando em conta que o campo negativo é representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal; o campo resultante (soma gráfica) é mostrado na parte inferior da figura 17 ( 1 ), tendo a mesma direção do enrolamento da fase 1.

Repetindo a construção para os pontos 2, 3, 4, 5 e 6 da figura 17, observa-se que o campo resultante

H tem intensidade “constante”, porém sua direção vai “girando”, completando uma volta no fim de um ciclo.

Assim, quando um enrolamento trifásico é alimentado por correntes trifásicas, cria-se um “campo girante”, como se houvesse um único par de pólos girantes, de intensidade constante. Este campo girante, criado pelo enrolamento trifásico do estator, induz tensões nas barras do rotor (linhas de fluxo cortam as barras do rotor) as quais geram correntes, e conseqüentemente, um campo no rotor, de polaridade oposta à do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo do estator (campo girante) é rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotação deste campo. Desenvolve-se então, no rotor, um conjugado motor que faz com que ele gire, acionando a carga.

2.13 Tensão, Corrente e Potência Nominal da máquina

A tensão nominal da máquina é determinada apenas pelo número de bobinas ligadas em série, por caminho, que é aproximadamente igual, e não pelo nº de caminhos paralelos.

Figura 17 – Representação da soma gráfica do campo magnético girante.

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Cada caminho consiste de um grupo de bobinas ligadas em série e cada bobina possui uma tensão nominal admissível (motor) ou uma tensão gerada (gerador).

A corrente nominal é a capacidade de cada bobina ou do condutor em cada caminho, ou do grupo de bobina ligado em série. Se aumentarmos o nº de caminhos, aumentamos a corrente nominal da máquina. Porém o nº total de condutores ou bobinas é fixo para uma dada armadura, logo, o nº de caminhos e a corrente nominal de uma dada máquina podem ser aumentados somente à custa da tensão nominal.

Fazendo uma comparação, uma bateria consiste de um grupo série-paralelo de pilhas. A potência nominal de cada pilha determina a potência nominal de cada bateria, independente do método de ligação, para um dado nº de pilhas. A potência nominal de qualquer bateria é fixa, embora sua tensão e corrente nominais possam variar com as ligações empregadas. Este conceito aplica-se aos condutores e aos enrolamentos da armadura de uma máquina.

A única forma de aumentar a potência nominal de uma máquina, considerando o exposto acima, seria empregar uma armadura maior, já que a potência nominal é fixada pela corrente e tensão nominais de suas bobinas individuais em determinado caminho.

Assim, o tamanho físico é uma indicação da potência nominal das máquinas elétricas e esta independe da forma de ligação dos condutores da armadura.

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3 CONSTITUIÇÃO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS

Máquinas elétricas são máquinas cujo funcionamento se baseia em fenômenos do eletromagnetismo. Um destes fenômenos é a indução eletromagnética e o outro a força eletromagnética.

Estas máquinas podem classificar-se de várias formas e uma destas classificações é quanto ao movimento: há um tipo de máquina que é estática, por não ter peças em movimento. Trata-se do transformador. As restantes são, normalmente, rotativas, pelo fato de terem peças em movimento rotativo, figura 18.

do estator (Figura 19) e pelo enrolamento do rotor, ambos posicionados em ranhuras (figura 20)

A parte da máquina elétrica rotativa que é fixa chama-se estator e a parte da máquina que é móvel chama-se rotor, há também, uma parte ativa e uma não ativa. A parte ativa é constituída pelo enrolamento É na parte ativa que a energia elétrica é convertida em energia mecânica e vice-versa.

5) Rotor Elemento girante da máquina (que gira), composto do eixo, núcleo de chapas e barras ou enrolamentos.

2) Carcaça Estrutura de sustentação das outras partes do motor. É provido de pés de fixação.

3) Caixa de ligação É a caixa de terminais do motor.

6) Tampa da caixa de ligação

7) Tampa Parte fixa à carcaça, destinada a suportar um mancal e proteger as partes internas da máquina.

enrolamento

1) Estator Parte do máquinaque é constituída dos elementos estacionários: carcaça, núcleo de chapas e

4) Terminais de ligação do máquina à rede elétrica ou à carga.

8) Mancal O eixo se apóia sobre o mancal, para poder girar. Figura 18 – Constituição de uma máquina elétrica. FOTOS CEDERJ

9) Placa de características do moto

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A parte não ativa são todos os outros componentes da máquina como tampas, carcaça, eixo, mancais, etc., que servem para transmissão do movimento rotativo, proteção externa e fixação da máquina.

3) Enrolamento trifásico Três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando um sistema trifásico ligado à rede elétrica de alimentação, através dos terminais localizados na caixa de ligação.

2) Ranhuras São cortes na periferia (ao redor) do estator para colocação dos enrolamentos.

1) Núcleo de chapa.

34) Pés de fixação

Figura 19 – Estator de uma máquina elétrica .FOTOS CEDERJ

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movimento ser linear. É o caso do motor linear, figura 21

A classificação da máquina elétrica como girante é a habitual, por se referir às máquinas mais comuns, mas convém lembrar que há máquinas com peças móveis e que não são rotativas, devido ao seu

Outra forma de classificar estas máquinas é quanto ao tipo de alimentação. O transformador e algumas das outras máquinas rotativas funcionam em corrente alternada. As restantes funcionam em corrente contínua.

Outra classificação tem a ver com a função da máquina. Todas as máquinas elétricas funcionam produzindo transformações de energia. Das máquinas elétricas que estamos a nos referir, o transformador é um caso particular. Transforma energia elétrica em energia elétrica. O interesse da transformação é que permite transformar uma tensão alta numa baixa (transformador baixador) ou transformar uma tensão baixa numa alta (transformador elevador) ou manter a tensão mas separando galvanicamente circuitos (transformador de isolamento). As aplicações dos transformadores são enormes, desde os transformadores

Em processos que demandem deslocamento linear, operação silenciosa, baixa

manutenção, grande confiabilidade e elevadas taxas de aceleração ou elevadas forças de tração, a utilização dos motores rotativos e atuadores tradicionais acaba ficando comprometida. Os MOTORES LINEARES (planos ou tubulares) aparecem cada vez mais como sendo uma alternativa para estas situações, devido a sua forma construtiva e características de operação altamente favoráveis para a automação e operação industrial.

Os Motores de Indução Lineares (MILs) são motores que produzem um movimento de translação diretamente, sem necessitar de sistemas de engrenagens ou quaisquer outros mecanismos de conversão de movimento rotativo em movimento de translação.

Figura 21– Motores lineares

Professora: Margareth N. Silva Disciplina: Máquinas Elétricas de grande potência que existem nas subestações à saída das centrais elétricas onde se produz a energia elétrica, às subestações que existem ao longo do transporte e da distribuição da energia, até todo o tipo de aparelhagem industrial e doméstica (como televisores, gravadores, carregadores de baterias para automóveis e telemóveis). O transformador está em quase toda a parte. E é responsável pelo peso dos aparelhos, pois é provavelmente o componente mais pesado, devido a ter um núcleo de ferro, figura 2.

(Parte 3 de 5)

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