Conversão Eletromecânica de Energia

Conversão Eletromecânica de Energia

(Parte 1 de 8)

Prof. Joel Rocha Pinto

1 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA01
2 CIRCUITOS MAGNÉTICOS02
2.1 Circuitos magnéticos funcionando em corrente alternada04
2.2 Exercícios07
3 SISTEMAS ELETROMECÂNICOS13
3.1Exercícios ..........................................................................................................16
E CONJUGADOS CONVERSORES .................................................................20
4.1 Conjugado de relutância24
4.2 Conjugado de mútua indutância29
4.3 Conjugado de mútua indutância e de relutância concomitantes31
4.4 Exercícios32
5 TRANSFORMADORES3
5.1 Transformador ideal38
5.2 Transformador real41
5.3 Testes em transformadores49
5.4 Rendimento em função da carga52
5.5 Transformadores trifásicos53
5.6 Sistema por unidade5
5.7 Auto-transformador58
5.8 Exercícios63
6 MÁQUINAS SÍNCRONAS70
6.1 Princípio de funcionamento70

4 RELAÇÃO DE ENERGIA – APLICAÇÕES AO CÁLCULO DE FORÇAS 6.2 Aspectos construtivos .........................................................................................71

6.4 Máquinas síncronas de pólos salientes75
6.5 Aplicações de máquinas síncronas7
6.6 Potência sincronizante7
6.7 Exercícios78
7 MÁQUINAS ASSÍNCRONAS86
7.1 Tipos de motores86
7.2 Motores de indução trifásicos -máquinas assíncronas87
7.3 A origem do movimento em motores elétricos8
7.4 Disposição dos campos magnéticos de motores trifásicos8
7.5 A formação do campo girante89
7.6 Construção90
7.7 Funcionamento90
7.8 Motor com rotor em curto-circuito94
7.8.1 Construção94
7.8.2 Características94
7.9 Motor com rotor em curto-circuito com ranhuras especiais96
7.9.1 Rotor de campo distorcido96
7.9.2 Rotores com condutores em grande profundidade98
7.9.3 Barras do rotor com maior resistência9
7.10 Motores com rotor bobinado (motor de anéis)100
7.10.1 Construção dos motores de anéis100
7.10.2 Características e empregos101
7.1 Motores com enrolamento de comutação polar102
7.1.1 Motores com dois enrolamentos separados102
7.1.2 Motores com comutação de pólos, de enrolamento único104
7.1.2.1 Propriedades dos motores Dahlander105
7.12 Modelamento das máquinas assíncronas106
7.12.1 Funcionamento107
7.12.2 Balanço de potência do motor de indutância109

6.3 Motor síncrono ...................................................................................................74 7.12.3 Conjugado eletromagnético desenvolvido .....................................................112

máquina assíncrona........................................................................................115
7.12.6 Curvas de conjugado e corrente em função do escorregamento s117
corrente e conjugado118
7.13 Métodos de variação de velocidade do motor de indução119
7.13.1 Método da mudança do número de pólos121
7.13.2 Método do reostato do rotor: motor de anéis123
7.13.3 Método da cascata sub-síncrona124
7.13.4 Variação da velocidade pela tensão do estator125
7.13.5 Variação da velocidade pela tensão e freqüências (inversores)127
freqüência variáveis129
7.15 Simulações de motores de indução utilizando o software pspice131
7.15.1 Um exemplo de curva característica134
7.16 Características e especificações de motores de indução139
7.16.1 Introdução139
7.16.2 Características da carga139
7.16.2.1 Potência nominal139
7.16.2.2 Conjugado resistente da carga141
7.16.2.3 Momento de inércia145
7.16 Conjugado x Velocidade do motor de indução146
7.16.3.1 Categorias148
7.16.3.2 Conjugado do motor médio (CMMÉDIO)149
7.16.4 Classes de isolamento151
7.16.5 Tempo de rotor bloqueado152
7.16.6 Tempo de aceleração (ta)153
7.16.7 Exemplos de especificação de motores155

7.12.4 Conjugado máximo em função do escorregamento s ...................................114 7.12.5 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente aproximado da 7.12.7 Influência da tensão V1 e da resistência rotórica sobre as curvas de 7.14 Comportamento do motor assíncrono alimentado por fonte de tensão e 7.17 Exercícios .......................................................................................................156

8.1 Máquina de corrente contínua – imã permanente167
8.2 Máquina de corrente contínua – excitação independente169
8.3 Máquina de corrente contínua – excitação série169
8.4 Máquina de corrente contínua – excitação paralela170
8.5 Máquina de corrente contínua – excitação combinada171
8.6 Interpólos172
8.7 Modelamento das máquinas de corrente contínua172
8.8 Exercícios177
9 MOTOR UNIVERSAL183
10 MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUÇÃO187
10.1 Tipos de motores187
10.2 Motor de fase dividida (split-phase)188
10.3 Motor de capacitor de partida (capacitor-start)189
10.4 Motor de capacitor permanente (permanente-split capacitor)190
10.5 Motor com dois capacitores (two-value capacitor)191
10.6 Motor de campo distorcido ou pólos sombreados (shaded-pole)191
10.7 Exercícios192

8 MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA ......................................................164 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................194

Sorocaba 2003

Sorocaba, 2003. 194p.
Apostila – Faculdade de Engenharia de Sorocaba.
1. Conversão eletromecânica 2. Máquinas elétricas I. Faculdade de

Conversão eletromecânica de energia. Engenharia de Sorocaba-Departamento de Engenharia Elétrica I.t

minha vida ede todo o

À minha esposa Monica e aos meus queridos filhos Gabriel e Jean, que tanto me incentivaram e me auxiliaram. Eles são a grande razão da meu trabalho.

Ao Prof. Dr. Cícero Couto de Moraes e ao Prof. Arlindo Garcia Filho pelo permanente incentivo, pelos constantes ensinamentos profissionais e pessoais.

Ao Prof. Dr. José Luiz Antunes de Almeida pela oportunidade oferecida e confiança depositada.

Aos meus amigos que tanto me ajudaram para a concretização desse trabalho

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1. CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA

São estudados os processos de conversão de energia elétrica em mecânica e vice-versa. Essa conversão ocorre em dispositivos de força (motores e geradores) e nos dispositivos de posição (microfones, alto-falantes, relês, etc...).

Fig.1.1 Processo de conversão eletromecânica de energia

De uma maneira geral os transdutores eletromecânicos apresentam três partes: parte elétrica

parte eletromecânica

Fig. 1.2 Equacionamento genérico dos transdutores eletromecânicos

Equações Mecânicas

Equações Elétricas

Equações Eletromecânicas equações que relacionam parte elétrica com parte mecânica

C w F d

Fluxo de Energia Elétrica

Fluxo de Energia Mecânica

Meio de Acoplamento (campo elétrico ou campo magnético)

Parte ou lado elétrico do transdutor Parte ou lado mecânico do transdutor

F = B I l E = B l v

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2. CIRCUITOS MAGNÉTICOS

As máquinas elétricas são constituídas por circuitos elétricos e magnéticos acoplados entre si.

Por um circuito magnético nós entendemos um caminho para o fluxo magnético, assim como um circuito elétrico estabelece um caminho para a corrente elétrica. Nas máquinas elétricas, os condutores percorridos por correntes interagem com os campos magnéticos (originados ou por correntes elétricas em condutores ou de imãs permanentes), resultando na conversão eletromecânica de energia. A lei básica que determina a relação entre corrente e campo magnético é a lei de Ampère:

•=•∫∫[2.1]

Jd a H dlS onde: J = densidade de corrente (A/m2) H = intensidade de corrente (A/m)

Aplicando a equação acima no circuito magnético simples, temos:

N i = H l , no caso: N i = Hn ln[2.2]

Fig. 2.1 Circuito magnético simples A intensidade de campo magnético (H), produz uma indução magnética (B) em toda a região sujeita ao campo magnético.

B = µ H ou BS

[Wb/m2] [2.3]

A unidade da indução magnética (B) é o Weber por metro quadrado, onde 1 Wb = 108 linhas de campo magnético.

µ = permeabilidade magnética do núcleo µ = µo . µr µo = permeabilidade do vácuo = 4π x 10-7 Wb/(A.m)

Faculdade de Engenharia de Sorocaba – Conversão Eletromecânica de Energia – Prof. Joel Rocha Pinto 3 µr = permeabilidade relativa do material, valores típicos de µr estão na faixa de 2000 a 6000, para materiais usados em máquinas.

Os dispositivos de conversão de energia que incorporam um elemento móvel exigem entreferros nos núcleos. Um circuito magnético com um entreferro é mostrado a seguir. Seja o circuito com entreferro (Vácuo):

N i = Hn ln + Hg lg[2.4]

Ni B l B ln n n

g=+µonde: B = µ H ; H = B / µ

Ni S l S ln n n

µonde: B = φ / S

g=+ φµ φ

=+⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥φµonde: φn = φg = φ
[]Ning=ℜ+ℜφ[2.5]
[]ℑ=ℜ+ℜφngonde: F = N i [2.6]

lS lSnnn ggo onde:

ℜn = Relutância magnética do núcleo ; [A/Wb]

ℜg = Relutância magnética do entreferro ; [A/Wb] ℑ = força magnomotriz ; [Ae]

Circuito Elétrico Análogo:

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2.1 CIRCUITO MAGNÉTICO FUNCIONANDO EM CORRENTE ALTERNADA

Em estruturas magnéticas com enrolamentos, o campo variável produz uma força eletromotriz (e) nos terminais do enrolamento, cujo valor é:

i) Ponto de Vista de Circuito:

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