Eletrica Materiais e Equipamentos Em Sistemas de Baixa Tensao1

Eletrica Materiais e Equipamentos Em Sistemas de Baixa Tensao1

(Parte 3 de 5)

Os dois modelos são bastantes parecidos e possuem um induzido fixo e um indutor móvel.

Dá-se também à parte fixa de uma máquina de Corrente Alternada o nome de estator e à parte móvel o nome de rotor.

Alternadores com Indutor (rotor) de Pólos Salientes

É formado por um núcleo polar fixado na superfície de um volante de aço fundido.

Cada núcleo é envolvido com uma bobina fixada na sua parte superior por uma sapata polar constituindo o que chamamos de peças polares.

As bobinas são ligadas em série e tem seus terminais presos a anéis coletores, isolados e fixos ao eixo do indutor. Esses anéis permitem a sua excitação por uma fonte de corrente contínua.

As bobinas são ligadas alternadamente formando os pólos norte e sul nas peças polares.

Os pólos formados são sempre em números pares.

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O estator se compõe de um anel fixo onde são alojadas as bobinas que formam o enrolamento do induzido.

Esse anel é constituído de um empilhamento de chapas de aço silício isoladas entre si e que formam quando prensadas um bloco maciço. As bobinas que constituem o enrolamento, são encaixadas em ranhuras ou canais que podem ser fechados ou abertos situados na periferia interna do anel chamado estator.

Alternador com Indutor de Pólos não Salientes

É uma máquina de alta rotação própria para fornecer potências elevadas. Esse tipo de alternador, geralmente é acoplado a turbinas hidráulicas ou a vapor.

O indutor ou rotor é construído com diâmetro relativamente pequeno e grande comprimento para não sofrer as conseqüências da força centrífuga. O cilindro de aço maciço é formado pelo empilhamento de chapas prensadas e fixadas por processos diversos. Na periferia são abertos os canais onde se alojam as bobinas que, devidamente ligadas constituem o enrolamento.

Esses canais após receberem o enrolamento são fechados por talas de bronze fixadas por processo especial.

O induzido desse tipo de alternador pouco difere do de pólos salientes, existindo apenas pequenos espaços entre empilhamento das chapas para favorecer a ventilação do alternador.

Funcionamento do Alternador

A energia elétrica produzida no alternador se baseia no princípio de que todo condutor quando cortado por um campo magnético e desde que haja movimento relativo entre este campo magnético e o condutor é induzida nele uma força eletro-motriz (Lei de Faraday).

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Não há variação de fluxo não há tensão induzida

Há pequena variação de fluxo aparece uma pequena tensão

Máxima variação de fluxo máxima tensão induzida

A senoide ao lado representada, é o gráfico de uma f.e.m. alternada gerada numa rotação completa da bobina acima.

Se uma bobina rodar num campo magnético as variações de fluxo do pólo norte e do pólo sul sucedem-se na rotação, gerando na bobina uma f.e.m. alternada senoidal.

O alternador, conforme descrito anteriormente, para cumprir a sua finalidade (produzir energia elétrica) necessita, dentre outras, das partes seguintes: indutor, induzido, excitação e movimento.

O indutor é excitado por uma fonte de corrente contínua que cria um campo magnético polarizado no bobinado do indutor.

Esse indutor recebe em seu eixo um movimento de rotação que o faz agir dentro do induzido.

Com o movimento de rotação o campo magnético do indutor corta os enrolamentos do induzido fazendo gerar uma corrente elétrica alternada com característica trifásica, ou monofásica, conforme a construção do alternador.

A freqüência é determinada em função do número de pares de pólos e da velocidade angular. Sua medida é o ciclo por segundo, verificando-se a seguinte relação:

onde:

f = p x n

120 f = frequencia em ciclos/segundo ou Hertz (Hz) p = numero de polos n = velocidade angular, em r.p.m.

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As freqüências mais usadas no Brasil são de 50 Hz e 60 Hz. As indicações gerais de um alternador são:

1. Freqüência em ciclos por segundo; 2. Número de fases; 3. Potência aparente nominal, em voltampères ou múltiplos; 4. Tensão nominal, em volts ou múltiplos; 5. Corrente nominal em ampères ou múltiplos; 6. Velocidade angular em r.p.m; 7. Tipo de serviço; 8. Tensão e corrente da exicitatriz.

A variação da tensão pode ser efetuada variando o fluxo por intermédio da variação da tensão de excitação ou variando a velocidade da máquina motriz.

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Motor Síncrono Trifásico

Motor Síncrono Trifásico

O motor síncrono é constituído por um estator, ligado à rede de CA e um rotor, alimentado por c.c. No estator forma-se um campo girante, o qual arrasta em seu movimento o rotor, em virtude de nele se ter formado um campo magnético pela passagem da c.c. em seus enrolamentos como se vê na figura dada a seguir.

O motor síncrono trifásico tem um estator semelhante ao estator de um motor de indução trifásico; a diferença fundamental é que o rotor é equipado com pólos salientes, que são excitados em geral por c.c.

A velocidade com que gira o rotor é a mesma do campo, e é expressa pela fórmula n = 120 x f p , onde: f = frequência da rede elétrica, P =número de pólos, n= velocidade angular, em RPM.

O motor síncrono tem velocidade constante sob qualquer condição de carga. Outra característica importante do motor síncrono é que, para uma determinada potência, à corrente absorvida pelo motor depende da corrente de excitação, sendo esta dependência representada pelo gráfico.

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Estas curvas são chamadas curvas V. Como sabemos:

W = E x I x cos ϕ W = cte E = cte

Apenas os valores de I e de cos ϕ variam. Quando ie é baixo I é grande e o cos ϕ tem valor baixo, sendo a corrente atrasada da tensão. Quando se aumenta ie, o valor de I diminui e cresce o valor de cos ϕ, até que no ponto A, I passa por um mínimo e o cos ϕ por um máximo. Isto é, cos ϕ = 1; a corrente está em fase com a tensão.

Aumentando-se ainda mais o valor de ie, a corrente aumenta e adianta da tensão, diminuindo o cos ϕ ; portanto o motor síncrono pode funcionar com qualquer fator de potência, sendo por isso, empregado para correção do cos ϕ .

Entretanto, o motor síncrono não tem arranque próprio, devendo-se empregar dispositivos especiais para iniciar o movimento.

Vários são os métodos empregados para a partida dos motores síncronos, entre os quais podem citar-se os seguintes:

• o emprego de um motor auxiliar; • fazendo-o funcionar inicialmente como motor de indução.

Além da desvantagem do arranque, o motor síncrono necessita de uma fonte de C.C. para excitar o campo; em virtude disso, os motores síncronos tem seu emprego restrito quase que exclusivamente à melhoria do fator de potência de uma instalação ou sistema de C.A.

vazio meia carga plena carga motor subexcitado F.P. indutivo (em atraso) motor sobre-excitado F.P. capacitativo (em vanço)

F.P. Unitário A

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Gerador de Corrente Contínua

Dínamo

A corrente contínua encontra aplicação em vários setores industriais, como, por exemplo: Instalações de eletroquímica, carga de baterias de acumuladores, tração elétrica, eletroímãs de aplicações industriais, solda elétrica a arco voltáico, etc.

Nas instalações de eletroquímica a corrente contínua é obtida por meio da retificação da corrente alternada por meio de retificadores tungar, de selênio ou de silício, porém em muitas instalações deste genero a corrente contínua é produzida por dínamos, isto é, por máquinas que geram energia elétrica de corrente contínua utilizando energia mecânica produzida por motores térmicos ou por motores assíncronos.

A base de funcionamento dos dínamos é a mesma que a dos alternadores, ou seja: para que uma bobina gere uma f.e.m. é preciso que a mesma sofra uma vairação de fluxo (Lei da

Indução eletromagnética) f.e.m. = t∆∆

Não há variação de fluxo não há tensão induzida

Há pequena variação de fluxo aparece uma pequena tensão

Máxima variação de fluxo máxima tensão induzida

A senoide ao lado representa, o gráfico de uma f.e.m. alternada gerada numa rotação completa da bobina acima.

Se uma bobina rodar num campo magnético as variações de fluxo do pólo norte e do pólo sul sucedem-se na rotação, gerando na bobina uma f.e.m. alternada senoidal.

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É evidenciada ai a impossibilidade de se gerarem f.e.m. contínua diretamente por intermédio de bobinas que girem num campo magnético.

Para retificar as f.e.m. alternadas no induzido dos dínamos, usase o coletor formado por lâminas de cobre isoladas entre si, também chamado comutador.

As figuras seguintes mostram de modo simplificado como as f.e.m. alternativas podem ser retificadas por um coletor de 2 lâminas e uma bobina.

A figura mostra uma bobina que no instante considerado está produzindo a f.e.m. máxima com o condutor escuro na frente do pólo N e o branco na frente do pólo S.

A escova B será sempre positiva e a A sempre negativa enquanto for mantida a rotação indicada pela seta circular e for mantido o sentido de campo, mesmo quando o condutor branco trocar com o preto.

O dínamo se compõe de um indutor formado pela carcaça, sapatas polares e pelas bobinas de campo.

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As sapatas e as bobinas de campo podem ser 2, 4, 6 ou mais, de acordo com o número de pólos da máquina. Compõe-se de um induzido formado por um pacote de chapas circulares de ferro-silício isoladas, com ranhuras na sua periferia onde são alojadas as bobinas com as pontas terminais devidamente ligadas as lâminas do coletor.

Numa das tampas, tem-se o porta-escovas fixo através de buchas isolantes, onde são colocadas as escovas que ficam apoiadas sobre o coletor, exatamente naquelas lâminas que estão com as bobinas sem produzir a f.e.m.

Abaixo uma vista ampliada do porta-escova de carvão especialmente fabricado para esse fim.

Quanto à ligação do indutor, os geradores classificam-se em:

1. Excitação separada (Independente) 2. Auto- excitação, sendo sub-divididas em: a) série b) paralelo c) mista

Excitação separada (independente)

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Na excitação separada a corrente que circula pelo sistema indutor é procedente de uma fonte exterior, enquanto que na outra a corrente vem da própria máquina.

A auto-excitação é possível tendo em vista a presença do magnetismo remanescente. A rotação do induzido no interior desse pequeno campo faz nascer uma corrente induzida bastante fraca. Esta, circulando pelo indutor, reforça o campo magnético, o que torna a corrente mais intensa. A corrente vai aumentando pouco a pouco, e em alguns segundos a máquina fornece a tensão nominal.

As indicações gerais de placa do dínamo são:

• Potência nominal em Watts; • Tensão nominal em Volts;

• Corrente nominal, em Ampères;

• Tipo de serviço;

• Tipo de excitação.

Com um reostato colocado em série com o indutor pode-se variar a tensão do gerador, para valores inferiores ao valor máximo obtido, quando ligado diretamente.

Liga-se: 1 - A1 - L1 A2 - F2 - L2

O gerador de corrente contínua permite a sua reversibilidade, isto é, pode funcionar como motor desde que na alimentação das bobinas de campo, se tenha o cuidade de não inverter o sentido da corrente para não perder o magnetismo remanescente.

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Motor de Corrente Contínua

Princípio de Funcionamento

Num motor de c.c., tanto o indutor como o induzido são alimentados por corrente contínua.

O motor de corrente contínua se compõe dos mesmos elementos ou órgãos constituintes dos geradores de corrente contínua (dínamo); isto é, do ponto de vista de construção nenhuma diferença existe entre o dínamo e o motor. As ligações entre o campo indutor e o induzido também são as mesmas.

O campo magnético, originado nas bobinas do induzido, pela passagem da corrente elétrica, deforma o fluxo indutor dando lugar a forças que obrigam os condutores a se deslocarem no sentido que há menor número de linhas de força.

Coletor

Numa das extremidades do eixo do motor e isolado dele, achase o coletor sobre o qual apoiam-se as escovas. O coletor é constituído por lâminas de cobre isoladas entre si. Os extremos das bobinas do induzido são ligados às lâminas do coletor.

Conjugado

Também chamado “par motor”, é o momento da força que se exerce tangencialmente à polia do motor em relação ao seu eixo.

O par motor, pela ação eletromagnética, é diretamente proporcional ao fluxo indutor e à corrente que circula pelo induzido.

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Sendo:

C = K x ϕ x I; C = conjugado em metroquilograma; K = constante de proporcionalidade que depende dos fatores; ϕ = fluxo indutor em maxwell; I = intensidade da corrente em ampères.

Força contra-eletromotriz

Os condutores do induzido ao entrarem em rotação cortam o fluxo indutor. Pelo princípio de Faraday nasce nos condutores uma f.e.m. induzida cujo sentido, dado pela Lei de Lenz, (aplicase a regra do saca-rolha), é inverso ao da tensão aplicada no motor. A tensão induzida nos condutores recebe o nome de força contra-eletromotriz. (f.c.e.m.) por se opor a tensão aplicada ao rotor.

O valor da f.c.e.m. é calculada pela expressão:

E =x n x Z

60 x 10p a8ϕx

Sendo: E = força contra-eletromotriz, em volts; n = velocidade angular em r.p.m.; Z = número de condutores eficazes; p = número de pólos; a = pares de ramais internos que dependem do tipo de enrolamento.

É evidente que no início da marcha, devido à pouca velocidade da máquina a f.c.e.m. é baixa, subindo gradativamente até o normal, quando o motor atinge a velocidade de regime. Deve-se notar que o valor da f.c.e.m. deve ser inferior ao da tensão aplicada ao motor.

Como a tensão aplicada às escovas do induzido e a f.c.e.m. são opostas, resulta que a tensão na armadura ou induzido é dada pela diferença das duas ou seja:

u = U - E

Sendo:

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Departamento Regional do Espírito Santo 39 u = queda de tensão na armadura, em volts; U = tensão aplicada às escovas do induzido, em volts; E = força contra-eletromotriz, em volts.

A corrente do induzido Expressa pela Lei de Ohm, será:

I = ur U- E

Onde: r = é a resistência do induzido.

Esta fórmula nos mostra que no início de marcha, quando a força contra-eletromotriz, é baixa a corrente atingiria um grande valor uma vez que a resistência interna do induzido é pequena.

Por isso para limitarmos a corrente de partida são utilizados reostatos de arranque, colocados em série com o induzido.

Velocidade do motor

Da expressão de força-eletromotriz podemos fazer considerações sobre a velocidade do motor.

E = xnxZxp 60x10xa8ϕ

p xx Z8

donde: n = a x E x 10 x 60 ϕ

Porém, na corrente do induzido vimos que I = U - Er donde: E = U - ( I x r )

Substituindo E na equação, resulta:

U - I x rx a

pϕ xZ x x108 x 60

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Numa primeira aproximação supõem-se invariável a tensão aplicada U, e despreza-se a queda da tensão na armadura I x r = u; Z, p e a são constantes. A velocidade dependerá então só do fluxo, sendo inversamente proporcional ao seu valor. Normalmente os motores estão providos de um reostato de campo, em série com o indutor, a fim de regular o fluxo magnético, ajustando-se assim o valor da velocidade ao ponto desejado. Há motores em que a velocidade é regulada variandose as espiras do campo.

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