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CEFETES / UNED-Serra Automao Industrial Mquinas Eltricas

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INTRODUO TIPOS DE MQUINAS ELTRICAS

As mquinas eltricas podem ser divididas em dois grupos:

Mquinas Rotativas (motores e geradores)

Mquinas Estticas (transformadores)

I.1 - Tipos de Mquinas Eltricas Rotativas

As mquinas eltricas rotativas funcionam sob o princpio da conservao eletromecnica de energia e podem ser classificados em motores e geradores.

Gerador: recebe energia mecnica de uma fonte primria (Ex.: Turbina Hidrulica) e a converte em energia eltrica.

Motor: recebe energia eltrica de uma fonte de alimentao e a converte em energia mecnica.

I.2 - Mquinas C.A.

Como a energia eltrica distribuda em corrente alternada, as mquinas C.A. so mais usadas. Os tipos so:

Sncronas (velocidade em exato sincronismo com a fonte C.A.).

Assncronas ou de Induo (velocidade ligeiramente diferente comparada com a mquina sncrona).

I.3 - Mquinas CC

So de construo mais complexa, custando mais que as mquinas C.A. e assim so menos usadas. As mquinas C.C. ainda so bastante usadas em trao (trens e metrs). Alm disso, apresentam grande facilidade no controle de velocidade.


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I.4 - Classificao dos Motores Eltricos:


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CAPITULO 1 ELETROMAGNETISMO

1.1 Magnetismo

Segundo a Histria, a palavra magnetismo tem como origem Magnsia, nome de uma antiga cidade no continente asitico, de onde h registro da descoberta de um mineral que tinha a propriedade de atrair partculas de ferro. A este mineral deu-se o nome de magnetita, que o xido de ferro com tal propriedade.

O fenmeno do magnetismo est estritamente ligado eletricidade. Embora em um m comum possa parecer que no - afinal funciona sem qualquer fonte de corrente eltrica - se consideramos o aspecto atmico, ele se deve ao movimento de cargas eltricas.

A habilidade de certos materiais - notadamente o ferro, o nquel, o cobalto e algumas de suas ligas e compostos - de adquirir um alto e permanente magnetismo, de grande importncia para a rea de engenharia eltrica. As aplicaes de materiais magnticos so muitas e fazem uso de quase todos os aspectos do comportamento magntico. As pesquisas por materiais magnticos com melhores caractersticas so motivadas pela possibilidade de reduo nas dimenses dos equipamentos e diminuio de limitaes no desempenho devido saturao e perdas.

1.1.1 - Comportamento Magntico

Alguns materiais, como o ferro, so marcadamente magnticos, enquanto que outros no so. De fato, uma das tcnicas mais simples de separao de materiais ferrosos dos no ferrosos atravs da comparao de suas propriedades magnticas. A importncia histrica e comercial do ferro como um material magntico deu origem ao termo ferromagnetismo, para englobar as intensas propriedades magnticas possudas pelo grupo do ferro na tabela peridica. O magnetismo est relacionado com o movimento de cargas eltricas . Os eltrons giram em torno do ncleo dos tomos, mas tambm em torno de si mesmos, isto semelhante ao que ocorre com os planetas e o sol. H diversas camadas de eltrons, e em cada uma, os eltrons se distribuem em orbitais, regies onde executam a rotao, distribudos aos pares.

Ao rodarem em torno de si, os eltrons da camada mais externa produzem um campo magntico mnimo, mas dentro do orbital, o outro eltron do par gira tambm, em sentido oposto, cancelando este campo, na maioria dos materiais.

Porm nos materiais ferromagnticos h regies, chamadas domnios magnticos, onde alguns dos pares de eltrons giram no mesmo sentido, e um campo magntico resultante da soma de todos os pares e domnios exercido em volta do material: so os ims. Em um material magntico desmagnetizado os domnios esto orientados ao acaso, de forma que seus efeitos se cancelam. Entretanto, se os domnios so alinhados por um campo magntico externo, o material se torna magnetizado. O alinhamento de todos os domnios em uma direo origina um efeito aditivo, o qual pode ou no permanecer aps a retirada do campo externo.


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Para designar quando o alinhamento magntico permanentemente retido ou no, so usados respectivamente os termos: material magntico duro e material magntico macio; como os materiais mecanicamente duros tendem a ser magneticamente duros, esses termos so adequados. Um material normalmente perde essa ordenao dos domnios magnticos quando recozido, j que a atividade trmica provoca a desorientao dos domnios. O fato de dois ms se atrarem ou se repelirem, dependendo das suas posies, pode sugerir a existncia de "cargas magnticas" similares s eltricas. Entretanto, tal modelo no deve ser considerado.

Cargas eltricas podem existir de forma isolada mas no possvel separar espcies de magnetismo. Se um m for dividido em duas ou mais partes, estas sero simplesmente outros ms com as mesmas caractersticas de atrao e repulso do original. No modelo aceito, no existem cargas, mas sim dipolos magnticos. Aos plos so dados os nomes de norte e sul. E a interao entre os mesmos a face mais visvel do magnetismo: plos idnticos se repelem e plos opostos se atraem.

1.1.2 Campo Magntico

O conceito de campo magntico similar ao do eltrico. O campo magntico a tendncia que uma regio apresenta de atrair corpos metlicos magnetizveis (materiais ferromagnticos, como o ferro, o cobalto, o nquel e algumas ligas). O campo magntico deve ser representado por um vetor campo magntico B, tambm chamado de induo magntica. E as linhas que representam o campo so ditas linhas de induo. Toda linha de campo magntico contnua e fechada, saindo do plo N e chegando ao plo S por fora do im e saindo do plo S e chegando ao plo N por dentro do im. Apenas uma linha de campo passa por um dado ponto do espao e essa linha tangente ao vetor campo magntico B nesse ponto.


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B

s

1.1.3 Fluxo Magntico

O nmero de linhas por unidade de rea proporcional ao mdulo do vetor B. Isto significa que as linhas so mais prximas entre si onde B maior e mais afastadas onde B menor. Sendo assim, o vetor campo magntico B tambm pode ser tratado como a densidade de fluxo magntico. O fluxo magntico representa a quantidade de linhas de induo que atravessa uma rea S. Ento:

SB =

A unidade de fluxo o Weber (Wb), j a unidade de B o Tesla (T).

1.2 Magnetismo e Eletricidade

O magnetismo e a eletricidade esto intimamente relacionados. O termo Eletromagnetismo associa estas duas reas, demonstrando interao entre magnetismo e cargas eltricas ou correntes eltricas. O eletromagnetismo pode ser descrito atravs de trs princpios. Os quais so de profunda importncia para estudo das mquinas eltricas e diversos equipamentos.

1.2.1 1 Princpio: Campo Magntico Criado Por Uma Corrente Eltrica

Pelo exposto em itens anteriores, o movimento de cargas eltricas produz um campo magntico. Assim, uma corrente eltrica em um condutor tambm produz campo magntico em torno do mesmo.

Campo magntico criado por um condutor retilneo

No caso de um condutor retilneo as linhas de induo so crculos concntricos. A corrente eltrica num condutor produz campo magntico em torno dele, com intensidade proporcional corrente e inversamente distncia.

r.2i.B

pi

=

i: corrente eltrica B: valor absoluto do vetor campo magntico em um ponto(A unidade de B no SI o tesla (T)) = permeabilidade magntica do meio (T.m/A)

0 = 4 pi .10-7 T.m/A (no vcuo) r = distncia do ponto ao fio (m)


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O sentido de B dado pela regra da mo direita conforme exibida na figura.

Regra da mo direita: "envolva o condutor com a mo direita de modo que o polegar aponte no sentido da corrente. Os demais dedos dobrados fornecem o sentido do vetor campo magntico B, no ponto considerado.

Campo magntico criado por um solenide

Um solenide, ou bobina, um condutor enrolado de forma helicoidal, com as espiras bastante prximas entre si. Uma corrente eltrica circula pelo mesmo e os campos magnticos das espiras se somam e o conjunto atua como se fosse um dipolo nico. As possibilidades de se ter ou no o campo pelo simples ligar e desligar da corrente e de se ajustar o campo pela variao da corrente fazem do solenide um dispositivo largamente usado.

l

iNB ..=

N = nmero de espiras l = comprimento do solenide

Para determinar o sentido do campo na bobina podemos utilizar novamente a regra da mo direita: envolva a bobina com a mo direita de tal forma que os quatro dedos acompanhem o sentido da corrente, e o polegar estendido indicar o sentido do campo

Aplicaes: Alguns exemplos de aplicao do 1 princpio so: campainha, eletroms, contatores.

Numa campainha mostrada ao lado, quando o interruptor fechado, a corrente circula pela bobina atravs do contato ligado ao martelo. Este atrado pelo ncleo magnetizado, tocando o sino. Alm disso, abre o circuito desligando a fonte e voltando para posio inicial por ao da mola. O ciclo se repete at que o interruptor seja aberto.

B

l

i

i


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Os eletroms industriais so usados como ms temporrios. De tamanho relativamente grande, os eletroms so utilizados no transporte de materiais metlicos. Quando a chave fechada, o ncleo magnetizado exercendo uma fora de atrao sobre o objeto a ser transportado.

Os rels magnticos ou contatores so dispositivos utilizados para controlar potncias atravs de seus contatos, que esto normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF) e invertem estas condies quando a bobina alimentada.

1.2.2 2 Princpio: Fora sobre um Condutor de Corrente Eltrica

Um fio condutor percorrido por corrente eltrica mergulhado numa regio de campo magntico, fica sob a ao de uma fora, que resulta da soma das foras magnticas que atuam sobre as partculas carregadas em movimento que constituem a corrente.

O sentido e direo da fora F podem ser determinados pela regra da mo direita (tapa):

O valor da fora pode ser calculado atravs de:

F = B I L sen


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N

S

B

i

i

F

F

x

x'

Onde F a fora em Newtons; L o comprimento do condutor, em m; e o ngulo entre o condutor e as linhas do campo. Note que se o condutor estiver paralelo s linhas de campo, = 0, da a fora ser nula.

Aplicaes:

As grandes aplicaes do 2 princpio do eletromagnetismo so os motores eltricos. A seguir mostrado o princpio de funcionamento do motor CC.

Uma espira imersa em um campo magntico como mostra a figura. A espira mvel em torno do eixo xx. Quando uma corrente eltrica atravessa a espira, como indicado, os condutores laterais da espira sofrem ao de foras, cujos sentidos podem ser determinados pela regra da mo direita. A ao destas foras forma um conjugado (Torque), girando a espira em torno do eixo xx. Em corte so mostrados a espira e os plos do m.

Durante o movimento o torque diminui, pois o brao (distncia entre a projeo da fora e o eixo de giro) vai diminuindo. No instante em que a espira assumir a posio vertical, o torque se anula. Entretanto, devido inrcia, a espira no pra e ultrapassa a posio vertical.

Isso acontecendo, o sentido do torque se inverte fazendo a espira girar para sentido contrrio. A concluso disso que a espira fica parada na posio vertical.

Para permitir o movimento de rotao da espira, usa-se um recurso muito simples: inverter o sentido da corrente na espira a cada meia volta. Assim, as foras invertem os sentidos, permitindo a continuidade do movimento, como mostra a figura ao lado.

N S

B

x x'

x

F

F

N SBx x'

x

F

F

N SB

x x'

x

F

F

N SB

x x'

x F

F


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Para executar esta soluo utiliza-se um dispositivo simples chamado comutador. Trata-se de um anel dividido ao meio, sendo as duas metades (segmentos) rigidamente ligadas na espira, como mostra a figura. Ao girar junto com a espira, os segmentos deslizam sobre dois contatos eltricos fixos (escovas). por meio das escovas que a espira ligada fonte CC externa. Observe que a corrente eltrica entrar na espira sempre pela mesma escova e que os contatos entre escovas e segmentos se alternam medida que a espira gira.

Na prtica, os motores possuem vrios quadros com vrios segmentos. Com isso, a rotao se torna mais suave e o torque mais elevado.

1.2.3 3 Princpio: Induo Eletromagntica

A descoberta da induo eletromagntica permitiu grande impulso no avano da eletricidade. At ento a eletricidade era obtida por baterias. A induo eletromagntica possibilita a gerao de fora eletromotriz atravs de campos magnticos que atravessam bobinas ou enrolamentos. Isso a base de construo de geradores em usinas eltricas.

Lei de Faraday

Segundo a lei de Faraday, se o fluxo magntico atravs da superfcie limitada por um circuito varia com o tempo, aparece nesse circuito uma fora eletromotriz (fem) induzida, ou seja , uma diferena de potencial eltrico.

A primeira experincia de Faraday foi um arranjo conforme a figura ao lado: uma espira de um material condutor de eletricidade conectada a um galvanmetro. Nesta situao, no se pode esperar indicao no instrumento, uma vez que no h fonte de corrente no circuito. Entretanto, se um m for aproximado da espira, o galvanmetro indica uma corrente. Se for afastado, tambm indica, mas em sentido oposto. Com o m em repouso, no h qualquer indicao.

N

S

B

i

i

x'

I

segmento

escova


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Uma outra experincia foi realizada conforme figura ao lado: ao se ligar a chave, ocorre uma pequena e rpida deflexo no galvanmetro. E tambm ao se desligar, mas em sentido oposto. Mantida a chave ligada, por maior que seja a corrente circulando na espira esquerda, no h qualquer indicao no galvanmetro. Essas experincias simples levaram deduo da Lei de Induo de Faraday.

A corrente que circula pela espira com o galvanmetro chamada corrente induzida, produzida por uma fora eletromotriz (fem) induzida. E Faraday concluiu que esta tenso induzida proporcional variao do fluxo magntico com o tempo.

Uma outra exposio da lei de Faraday mostrada a seguir. Se um condutor cortar as linhas de induo de um campo magntico, surgir entre seus terminais uma tenso induzida, a qual ser proporcional velocidade, ao comprimento do condutor, e ao campo.

senBLvE =

E a tenso em V, L o comprimento em m, e v a velocidade do condutor, em m/s. o ngulo entre o campo magntico e a velocidade. Note que se for 0 no existir tenso induzida, j que neste caso, o condutor no corta as linhas do campo.

Lei de Lenz

Segundo a lei de Lenz, qualquer corrente induzida tem um sentido tal que o campo magntico que ela gera se ope variao do fluxo magntico que a produziu.

Voltando ao exemplo da primeira experincia de Faraday, quando um im aproximado da espira, a corrente induzida que aparece na espira tem o sentido indicado porque, assim, ela gera um campo magntico cujo plo norte se confronta com o plo norte do im. Os dois plos se repelem, ou seja, o campo gerado pela corrente induzida na espira se ope ao movimento do im.


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Um outro exemplo, no caso do movimento de uma espira dentro de um campo magntico por ao de uma fora externa Fext. Como h variao de fluxo magntico no interior da espira, existe uma corrente induzida. Mas como um condutor percorrido por corrente eltrica mergulhado numa regio de campo magntico fica sob a ao de uma fora, ento por efeito da corrente induzida na espira aparecem as foras F1, F2 e FM. As duas primeiras se cancelam mutuamente. Como, pela lei de Lenz, a fora FM deve se opor fora FEXT, a corrente induzida na espira pela variao do fluxo magntico deve ter o sentido indicado. Esse fato constitui um exemplo particular de aplicao da lei de Lenz.

Aplicaes: As grandes aplicaes da induo eletromagntica so os geradores e transformadores.

Gerador Elementar Um gerador elementar tem, como elementos bsicos, um im permanente, uma espira e um coletor. A espira gira ao redor do seu eixo com velocidade angular constante por alguma causa mecnica, na regio de campo magntico entre o plo N e o plo S do im permanente. O fluxo magntico que atravessa a superfcie limitada pela espira varia com o tempo devido ao movimento. Pela lei de Faraday, essa variao do fluxo magntico faz aparecer na espira uma tenso induzida. A tenso induzida originalmente alternada, entretanto, conforme o tipo de coletor utilizado, ela pode estar disponvel externamente como alternada ou contnua.

A tenso induzida na espira dada por:

)()( wtsenwSBtV =

Onde: B densidade de fluxo; S rea da espira; w - velocidade angular da espira.


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As Figuras abaixo representam oito posies sucessivas (a, b, c, d, e, f, g e h) da espira ao longo de um perodo de revoluo e o correspondente grfico da tenso induzida na espira. Considerando que a espira gira com velocidade angular constante ao redor do seu eixo, a freqncia da tenso gerada dada por: f = / 2pi.

Como foi exposto anteriormente, a tenso induzida em um condutor que corta as linhas de campo, depende do seno do ngulo entre a velocidade e o campo. Isso explica o fato da tenso induzida se comportar como uma funo senoidal. De acordo com a posio da espira, a tenso gerada evolui como uma funo senoidal. Por exemplo, na posio (a): o ngulo entre a velocidade dos condutores laterais da espira e o campo magntico 0, ou seja, os condutores no cortam as linhas de campo, da a tenso vale zero. J na posio (c): o ngulo entre a velocidade dos condutores laterais da espira e o campo magntico 90, ou seja, a tenso induzida mxima. Aps meio giro da espira, o sentido com que os condutores cortam as linhas de campo se inverte, invertendo o sentido da tenso induzida.

Para as mesmas posies sucessivas da espira, mas com o coletor de corrente contnua, o correspondente grfico da tenso de sada aparece na figura ao lado. Este coletor tambm chamado comutador, funcionando como um retificador, porm mecnico.

1.3 Circuitos Magnticos

Um circuito magntico pode ser comparado com um circuito eltrico. Nesta analogia, o fluxo magntico equivale a corrente eltrica. E duas grandezas fundamentais devem ser apresentadas: a fora magneto-motriz (Fmm) e a relutncia (Rel), as quais equivalem tenso e resistncia eltricas.

Assim, pode se escrever: l

FmmRe

= ; anlogo a lei de ohm.

A fora magneto-motriz (Fmm) a fora que produz fluxo magntico. Definida pelo produto entre o nmero de espiras e a corrente eltrica dada em Ampre-espira (Ae). FMM = N . I

A Relutncia mede a oposio formao de fluxo magntico, dada em Ae/Wb.


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Sl

=

lRe

Onde: l comprimento mdio do circuito magntico(m); S a rea da seo transversal do ncleo (m2); a permeabilidade magntica do material.

1.3.1 Indutncia

Os trs elementos passivos bsicos em um circuito eltrico so resistor, capacitor e indutor. Um indutor, ou bobina, caracterizada por uma grandeza chamada indutncia. A indutncia de uma bobina a relao entre o fluxo concatenado com a mesma e a corrente necessria para produzi-lo, isto :

Substituindo as relaes j vistas, pode-se chegar numa expresso para o clculo da indutncia:

Note que a indutncia depende de fatores geomtricos do indutor, do nmero de espiras e do material utilizado como ncleo.

1.3.2 Intensidade de Campo (H)

a quantidade de ampre-espira por metro de comprimento do circuito magntico, ou seja:

LiNH =

A unidade de intensidade de campo o Ae/m. Note que quanto maior o comprimento da do circuito, menor ser a intensidade de campo. A partir das relaes anteriores, pode-se demonstrar facilmente que existe uma relao entre a densidade de fluxo (B) e a intensidade de campo (H), dada por:

HB =

INL )( = L: indutncia da bobina, dada em Henry (H); I: corrente em ampres (A);

: fluxo produzido pela bobina, em Weber (Wb); N: nmero de espiras.

l

SNL =2

l


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Esta relao caracteriza o comportamento magntico do meio, ou seja, do material utilizado como ncleo magntico.

A permeabilidade magntica representa a maior ou menor facilidade com que o material magnetizado. A unidade de permeabilidade o T.m/Ae

O valor da permeabilidade no constante sendo extrado de grficos de curvas de magnetizao.

1.3.3 - Curvas de Magnetizao

Para cada tipo de material levantada uma curva que relaciona a densidade de fluxo com a intensidade de campo, so as curvas B x H. A curva obtida, a partir de um material no magnetizado, incrementando-se a fora magnetizante (intensidade de campo magntico), e obtendo-se o resultado da densidade de fluxo. O resultado visto na linha pontilhada da figura. Nota-se que a partir de certo valor de intensidade de campo (HM), um incremento neste produz pouco acrscimo na densidade de fluxo. Isso caracteriza a SATURAO magntica do material. Ao diminuir a intensidade de campo, a densidade de fluxo no volta da mesma maneira que cresceu, e sim permanece no material uma magnetizao remanescente. Quando H cai a zero, B ainda mantm um certo valor +R, chamado RETENTIVIDADE, INDUO RESIDUAL, ou DENSIDADE RESIDUAL DE FLUXO. Para que a densidade possa ser anulada, necessrio aplicar uma fora magnetizante no sentido contrrio, ou seja, inverter a corrente. O valor de intensidade de campo necessrio para tornar B igual a zero chamado COERCIVIDADE (C). Continua-se aumentando H no sentido negativo at atingir a saturao, com valores mximos de B e H. Ao se reduzir H at zero, da mesma forma, permanecer um magnetismo residual, o qual ser eliminado com um incremento positivo de H. Com o ciclo completo tem-se um Lao de Histerese. A HISTERESE, que quer dizer atraso, o fenmeno associado propriedade que todo material magntico tem de ser opor a variao de fluxo magntico que por ele circula. Podemos notar que nos ramos descendentes dos laos, o valor de B sempre maior que nos ramos ascendentes e que o material tende a se opor a variaes de fluxo, que o que chamamos de histerese.

Estas curvas mudam muito de um tipo de material para o outro e para o mesmo material tambm, j que sofrem o efeito da temperatura.


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A escolha da material est relacionada com a aplicao do mesmo, por exemplo:

- Material com grande Retentividade e Coercividade so usados em ms permanentes; - Material com baixa Retentividade e Coercividade so usados em eletroms; - Para construo de mquinas deve se ter materiais com elevado valor de intensidade de campo de saturao; - Na magnetizao alternada, a rea do lao de histerese deve ser a menor possvel, pois a perda de energia proporcional a esta rea.

1.4 - Perdas So dois os tipos de perdas em ncleos magnticos.

1.4.1 Perdas Por Histerese

A histerese apresentada por um material magntico causa uma perda de energia, necessria para a orientao dos domnios magnticos - so as perdas por histerese. Quanto maior a rea abrangida pelo lao de histerese maior ser a perda de energia durante um ciclo completo de histerese. Esta perda de energia se manifesta pela produo de calor no material. A rea do lao de histerese depende do valor mximo de campo atingido e do tipo de material utilizado. Quando a magnetizao varia muitas vezes por segundo, como o caso da magnetizao por corrente alternada, ocorre um aquecimento do material, caracterizando as perdas por histerese magntica. Sendo assim, tal perda depende, alm da rea do lao de histerese, da freqncia da corrente de magnetizao.

1.4.2 Perdas Por Corrente Parasita

A circulao de corrente alternada em enrolamentos produz fluxo magntico varivel no ncleo. Como j vimos, pela lei de Faraday, surgiro tenses induzidas no ncleo. Como os ncleos so de material metlico, existiro correntes circulantes na prpria massa metlica, conseqentes das tenses induzidas. Essas correntes parasitas, ou correntes de Foucault provocam perdas Joule - so as perdas por correntes parasitas. A fim de reduzir estas perdas, ao invs de ncleos macios se empregam ncleos laminados, a exemplo dos ncleos dos transformadores. As chapas laminadas so dispostas de modo a reduzir as foras eletromotrizes induzidas e as correntes, diminuindo assim as perdas. Tais perdas dependem da espessura das chapas, da densidade de fluxo magntico, da freqncia da corrente magnetizante e da resistividade do material empregado como ncleo.

1.4.3 Ncleos Magnticos Laminados ou Compactados

As perdas nos materiais magnticos dependem da metalurgia do material, particularmente da percentagem de silcio, da freqncia, da espessura do material laminado, e da induo magntica mxima. A idia construir o ncleo de transformadores e mquinas rotativas de um material magneticamente macio, ou seja, com lao de histerese estreito. As perdas por histerese so minimizadas atravs de tratamento trmico apropriado nas chapas de ferro-


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silcio, as quais so construdas de maneira a terem propriedades magnticas melhores segundo uma direo preferida.

As correntes de Foucault por sua vez so minimizadas construindo os ncleos com chapas finas e isolando-as, aumentado a resistncia no caminho das correntes e portanto, reduzindo sua magnitude e conseqentemente as perdas. Se as lminas no forem colocadas apropriadamente elas tendero a vibrar, contribuindo tambm para os rudos do transformador ou motor. A espessura das chapas dever ser tanto menor quanto maior for a freqncia da variao do fluxo ou, o que o mesmo, quanto maior for a freqncia da corrente criadora deste fluxo. O isolamento entre as chapas pode ser feito com papel, verniz, ou por oxidao. Em alguns casos, ao invs de serem montados com chapas, ncleos compactados so fabricados com p metlico. Esses ps metlicos apresentam caractersticas de resistividade bastante elevada, o que reduz ao nvel necessrio as correntes parasitas. So, em outras palavras, praticamente isolantes eltricos com caractersticas ferromagnticas. Os ncleos compactados, tambm chamados de ferrite, no exigem a prvia laminao do ferro. Alm disso, por possurem um lao de histerese com pequena rea, tm a capacidade de trabalhar em freqncia elevada sem apresentar elevadas perdas. Entretanto, ainda hoje, existe uma limitao tcnica de fabricao de tais ncleos, aliada a uma limitao econmica, devido ao processo de fabricao. A tcnica de fabricao de ncleos de ferrite se aplica somente a peas de pequeno e mdio volume. No resta dvida, porm, que um processo em franco desenvolvimento, devendo substituir gradativamente o dos ncleos laminados, devido aos maiores recursos que oferece.


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CAPITULO 2

Conceitos Bsicos de Mecnica Aplicados em Mquinas

2.1. Conjugado:

O conjugado T, tambm chamado de torque ou momento a medida do esforo necessrio para se girar um eixo:

T = F. r (N.m) F = fora em Newtons. r = distncia do brao de alavanca em metros.

Exemplo 1. Na figura, dado P = 20N e o dimetro do tambor de 20cm. Se o comprimento R2 da manivela for de 40cm, qual deve ser a fora aplicada na manivela.

2.2. Energia, Trabalho realizado e Potncia Mecnica.

O trabalho representa a energia transferida de um corpo para o outro ou a energia transformada de um tipo em outro. O Trabalho, dado em Joules(J), realizado por uma fora F aplicada sobre um corpo durante o deslocamento d dado por:

dF =

A potncia mecnica P exprime a rapidez com que a energia ou trabalho mecnico realizado.

tP =

Onde: P dado em J/s t o tempo gasto em s.


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Definio de C.V.(cavalo-vapor) 1 CV = 736W

1CV a potncia em "watts" necessria para se elevar uma massa de 75Kg a uma altura de 1 metro num tempo de 1 segundo.

Assim, para a definio de C.V., temos :

peso da massa de 75Kg P = m.g = 75.9,81 736N = Fora = F

trabalho realizado = F.d = 736.1 = 736Nm = 736J.

Potncias normalizadas em C.V.:

1/3 ; 1/2 ; 3/4 ; 1 ; 1,5 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7,5 ; 10 ; 12,5 ; 15 ; 20 ; 25 ; 30 ; 40; 50 ; 60 ;75 ; 100 ; 125 ; 150 ; 175 ; 200 ; 250 .

Exemplo 2.

Um peso de 600N deve ser elevado a uma altura de 2m por um motor. Se usarmos um motor que realize este trabalho em 12s e outro que realize em 2s, qual a potncia de cada motor?

2.3. Relao entre conjugado e potncia:

Na especificao e seleo de motores pode ser importante a avaliao da quantidade de torque disponvel (numa polia ou eixo de motor) para se executar um determinado trabalho mecnico a uma certa velocidade.


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A equao que relaciona a potncia fornecida com o torque externo e a velocidade dada por:

PMEC = .

Onde: T = torque (N.m) = rotao (rad/s) PMEC = potncia (W) O quadro abaixo apresenta a relao anterior utilizando as grandezas com diferentes unidades.

Exemplo 3. Qual o torque disponvel no eixo do motor de 7,5 CV com o eixo girando

a 1760 rpm?


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CAPITULO 3. Motor de Passo

O motor de passo um dispositivo eletromecnico que converte pulsos eltricos em movimentos mecnicos discretos.

A cada troca de sentido da corrente nos enrolamentos de um motor de passo corresponde um movimento angular discreto elementar chamado passo.

A cada passo executado o rotor se posiciona em uma nova posio estvel, guardando entre um passo e outro a mesma preciso de posicionamento, sem erros cumulativos numa srie de passos.

O princpio bsico do motor de passo muito antigo e ele est em uso a um longo tempo. Mas, esse tipo de motor, somente passou a apresentar maior significado comercial aps o advento do controle eletrnico. As razes para este aumento de popularidade baseiam-se principalmente no alto grau de controle que obtido. Sem o acionamento eletrnico o motor de passo perde muitas de suas vantagens. Provavelmente no existe motor mais diretamente associado com o controle eletrnico que o motor de passo.

Esses motores permitem controles de velocidade e posio precisos sem necessitar de realimentao, dispensando assim, transdutores de velocidade e posio, significando grande economia do sistema.

Adiciona-se a vantagem da ausncia de realimentao, as caractersticas de robustez, vida longa, ausncia de manuteno regular por no possuir escovas, e mais economia quando comparados aos servomotores de corrente contnua.

Estas caractersticas, aliadas ampla faixa de velocidades, que podem ultrapassar a 20.000 passos/segundo em alguns modelos, tornam o motor de passo ideal para uma vasta gama de aplicaes como soluo simples e econmica.

3.1 Funcionamento

Um motor de passo tpico possui basicamente um rotor magnetizado permanentemente que apresenta em sua periferia um determinado nmero de pares de plos que se alinham magneticamente com os pares de plos gerados pelos enrolamentos nos dentes do estator.

Quando os enrolamentos do motor so alimentados com c.c., o rotor busca a posio de equilbrio, ou de menor energia potencial, mais prxima e a permanece at que haja inverso do sentido da corrente em uma das fases. Quando isto ocorre o rotor busca a nova posio de equilbrio que, se for seguido o esquema de comutao do motor, estar imediatamente a direita ou a esquerda da posio anterior, de acordo com o sentido de comutao.

Para exemplificar, mostramos na figura a seguir o esquema simplificado de um motor de passo de duas fases com sua respectiva tabela de comutao.

Para cada comutao das chaves S1 e S2, de acordo com a tabela, o rotor girar um passo no sentido horrio ou anti-horrio. A continuao da seqncia provocar no motor uma rotao contnua.


21

V+

SN S

No N

S

S

N

Passo 4S2

1 2

S1 12

V+

NN S

So

N

NS

S

Passo 1S2

1 2

S1 12

V

NS N

So S

N

N

S

S1

S2Passo 2

1

2

1 2+

V+

SS N

No S

S

N

N

Passo 3S2

1 2

S1 12

Passo

1

2

3

4

Anti

-ho

rrio

Ho

rrio

1

2

S1 S2

2

1

1

1

2

2

Pela substituio das chaves por modernos circuitos digitais, microprocessadores e transistores, disponveis atualmente no mercado, obtm-se controle integral de velocidade e posicionamento, juntamente com confiabilidade e vida longa.

D

Q

Q D

Q

Q

Clock

12 12S1 S2

1

2S1

1

2S2

Clock

Passo1 2 3 4 1 2

3.2 Preciso

A preciso de passo dos motores est em torno de 5 % do passo. Isto significa que funcionando sem carga ou com carga constante, sempre na mesma direo, o rotor se posicionar com um erro mximo de 5 % do passo da posio desejada.

3.3 Conjugado

H vrios tipos de conjugado a serem considerados em um motor de passo:

Conjugado de Travamento

Quando o motor est parado e com a alimentao ligada (zero passos/segundo e corrente nominal), o conjugado necessrio para deslocar o motor para uma nova posio de equilbrio, vrios passos adiante, chamado de conjugado de travamento.

Normalmente, o conjugado de travamento est em torno de 110 a 115 % do conjugado nominal do motor. O conjugado de travamento atua como um poderoso freio, segurando a carga quando o motor est parado.


22

Conjugado Dinmico

Podemos identificar dois tipos de conjugado dinmico em um motor de passo, a saber: - Conjugado de Partida e Parada Sem Erro; - Conjugado de Corrida.

O Conjugado de Partida Sem Erro mostra com qual carga o motor consegue partir e parar sem erro (perda de passo) quando acionado com uma determinada freqncia fixa.

O Conjugado de Corrida o conjugado disponvel aps o motor ter sido levemente acelerado.

Os conjugados, em mdias e altas freqncias de passo, podem ser profundamente alterados pelo tipo de driver usado.

Conjugado Residual

O conjugado resistente, em um motor de passo, quando no est energizado chamado de Conjugado Residual.

o resultado do fluxo magntico do m permanente do rotor. O seu valor de aproximadamente 10 % do Torque de travamento.

Esta caracterstica dos motores de passo de m permanente aproveitada para segurar a carga (ou posio) mesmo quando o motor desenergizado. A posio, entretanto, no ter a mesma preciso de quando o motor est energizado.

3.4 A Funo Passo

Quando dado um nico passo em um motor de passo sem carga, a resposta tpica mostrada na figura abaixo.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 t [ms]

ngulode

passo

Resposta Passo nico

Ou seja, quando invertida uma das fases do motor, este parte para o passo seguinte, e oscila ligeiramente em torno da nova posio at parar definitivamente.

O tempo t que o motor leva para estabilizar funo do tipo de driver e da carga.


23

A ordem de grandeza desse tempo de milisegundos, girando em torno de alguns para os motores menores at vrias dezenas para os maiores.

Para a grande maioria das aplicaes este tempo de estabilizao irrelevante e pode ser perfeitamente desprezado.

3.5 Rampa de Acelerao

Em muitos casos, quando a carga inercial do sistema movido pelo motor de passo pequena e/ou as rotaes so baixas, podemos operar o motor diretamente por trem de pulsos de freqncia constante.

Ao contrrio, se a carga inercial grande e/ou se exige altas velocidades, torna-se necessrio o uso de rampas de acelerao e desacelerao.

A Rampa de Acelerao consiste em se ir gradualmente aumentando a freqncia dos pulsos, e por conseqncia, a rotao do motor, at a velocidade final e fazer procedimento inverso at a parada do motor.

t acelerao tempo t desacelerao t

passospor

segundo

Rampa de acelerao e desacelerao

3.6 Aplicaes

- mesas de coordenadas; - retificas automticas; - bombas de deslocamento positivo; - vlvulas de comando remoto; - manipuladores industriais (robs); - posicionadores de antenas; - impressoras; - plotters; - disk drivers;


24

- mquinas de costura industrial; - mquinas de bordar industrial; - fac-smile; - mquinas transfer.

3.7 Especificaes Bsicas

- Nmero de fases; - ngulo de passo [graus]; - Nmero de passos/rotao; - Mximo Torque de partida [N.cm]; - Torque de travamento [N.cm]; - Torque Residual [N.cm]; - Inrcia do motor [kg.cm2]; - Preciso do ngulo de passo [%]; - Freqncia mxima de passo [kHz]; - Mxima freqncia [Hz ou passos/segundo]; - Corrente mxima por fase [A]; - Resistncia por fase []; - Indutncia por fase [m]; - Peso [kg]; Classe de isolao.


25

CAPITULO 4 - Motor de Corrente Contnua

4.1 Introduo

Os motores de corrente contnuos, devidos suas caractersticas de acionamento e controle, foram usados extensivamente em acionamentos com velocidade varivel at a alguns anos. Os motores CC podem proporcionar alto conjugado de partida, sendo tambm possvel controlar sua velocidade sobre uma grande faixa. Os mtodos de controle de velocidade so normalmente simples e mais baratos que aqueles para acionamentos em CA. Os motores srie e os com excitao independente so normalmente usados em acionamentos de velocidade varivel, sendo que os motores srie so tradicionalmente utilizados em aplicaes de trao.

Devido o sistema de comutao, os motores CC no so os mais adequados para aplicaes em alta velocidade e requerem mais manuteno que um motor CA. Com o recente avano na converso de potncia, tcnicas de controle e microcomputadores, os acionamentos em CA esto se tornando mais competitivos que os com motores CC.

Apesar da crescente tendncia da utilizao de acionamentos CA, os acionamentos CC so normalmente utilizados em muitas indstrias e decorrero ainda algumas dcadas para que estes acionamentos sejam substitudos pelos de CA.

4.2 Princpio de Funcionamento

O princpio de funcionamento do motor CC o mesmo apresentado para o motor elementar discutido no Captulo anterior Eletromagnetismo. Baseia-se na produo de fora em condutores percorridos por correntes eltricas quando imersos em um campo magntico. Na figura, a espira imersa em um campo magntico. Quando uma corrente eltrica atravessa a espira, os condutores laterais da espira sofrem ao de foras, cujos sentidos podem ser determinados pela regra da mo direita. A ao destas foras forma um conjugado (Torque), girando a espira em torno do eixo xx. Para permitir o permanente movimento de rotao da espira, deve-se inverter o sentido da corrente na espira a cada meia volta. Para tal, utiliza-se o comutador.

N

S

B

i

i

x'

I

segmento

escova


26

4.3 Partes Construtivas

Num motor eltrico, distinguem-se essencialmente duas peas: o estator, conjunto de elementos fixados carcaa da mquina, e o rotor, conjunto de elementos fixados em torno do eixo, internamente ao estator.

Na mquina CC o estator formado por:

a) Carcaa: serve de suporte ao rotor, aos plos e de fechamento de caminho magntico. b) Enrolamentos de campo: tm a finalidade de gerar o fluxo magntico. So constitudos de condutores enrolados sobre ncleos de chapas de ao laminadas, cujas extremidades possuem um formato que se ajusta ao rotor e so chamadas de plos ou sapatas polares. c) Conjunto porta-escovas e escova: a porta-escovas permite alojar as escovas e est montada de tal modo que possa ser girada para ajustes. As escovas so compostas de material conduto (barras de carvo e grafite) e deslizam sobre as lminas do comutador durante o movimento. So pressionadas por molas, proporcionando a ligao eltrica entre os condutores mveis e o exterior. d) Enrolamentos auxiliares: so enrolamentos colocados em srie com o circuito de armadura com a finalidade de compensar distores no fluxo, provocadas pela circulao de corrente na armadura (reao de armadura). Isso evita, ou reduz, o aparecimento de fascas na comutao. So dois enrolamentos utilizados: de interplos e de compensao.

O rotor composto de: a) Eixo da Armadura: responsvel pela transmisso de energia mecnica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixao ao estator, por meio de rolamentos e mancais. b) Ncleo da Armadura: composta de lminas de Fe-Si, isoladas umas das outras, com ranhuras axiais na sua periferia para a colocao dos enrolamentos da armadura.


27

c) Enrolamento da Armadura: so bobinas isoladas entre si e eletricamente ligadas ao comutador. d) Comutador: consiste de um anel com segmentos de cobre isolados entre si, e eletricamente conectados s bobinas do enrolamento da armadura.

4.4 Enrolamentos, Terminais e Simbologia.

Em um motor CC existem trs enrolamentos bsicos: de armadura, de campo shunt e de campo srie. Estes enrolamentos so acessveis externamente atravs de terminais, possibilitando diferentes formas de ligao. Abaixo segue uma simbologia que pode ser utilizada.

O enrolamento de armadura (fixado ao rotor) composto por bobinas conectadas ao comutador. Sua dimenso influencia diretamente na potncia da mquina. Os enrolamentos de campo shunt e srie (fixados na carcaa) so responsveis pela formao de fluxo magntico, apresentando caractersticas diferentes devido forma com que so empregados. O enrolamento de campo shunt possui muitas espiras de fio fino, apresentando resistncia eltrica relativamente alta, sendo percorrido por baixas correntes. O enrolamento de campo srie utilizado em srie com o circuito de armadura, portanto, percorrido por altas correntes. Sendo assim, constitudo por poucas espiras de fio grosso, apresentando baixa resistncia eltrica.

4.5 Equaes Bsicas e Modelo do Motor CC

A soma das foras que atuam sobre os condutores da armadura cria o conjugado eletromagntico, que depende da corrente de armadura, do fluxo magntico e de parmetros construtivos da armadura. Assim, o torque (conjugado) dado por:

AIkT = (1) Onde:

: Fluxo magntico produzido pelo enrolamento de campo; IA: corrente que circula pela armadura; k : constante construtiva do rotor das mquinas eltricas.

Sabemos que, quando um condutor est imerso num campo magntico, se deslocando com uma certa velocidade dentro deste campo, sobre ele induzida uma

F1

F2

campo shunt

S1

S2

campo srie

A2

MCC

A1

armadura


28

tenso eltrica. Essa fora eletromotriz induzida chamada de Fora-contra-eletromotriz induzida fcem - simbolizada por EG.

wkEG = (2)

Onde w a velocidade angular do eixo.

O fluxo magntico produzido pelo enrolamento de campo depende, entre outros fatores, da corrente no enrolamento de campo IF. Grosso modo, o fluxo pode ser considerado proporcional a corrente IF, entretanto, deve ser lembrado que a relao existente dada pela curva B x H do material magntico de compe o ncleo da mquina.

O circuito da armadura pode modelado como mostra a figura abaixo. De onde se obtm a equao:

AAgA IREV += (3)

Onde: VA: tenso entre os terminais da armadura; RA : resistncia eltrica dos condutores da armadura; EG: tenso induzida na armadura; IA: corrente de armadura.

O circuito de campo shunt pode ser modelado por um circuito RL:

F

FF R

VI = (4)

Com as equaes 2 e 3 anteriores se obtm uma equao dada por:

=

kIRV

w AAA (5)

Esta equao fundamental do motor CC proporciona anlises importantes a respeito da variao de velocidade do motor CC. Note que:

quanto maior a tenso aplicada na armadura, maior a velocidade.; quanto maior a corrente de armadura, menor a velocidade; quanto menor o fluxo magntico produzido pelo enrolamento de campo, maior a

velocidade; nunca se deve alimentar a armadura sem alimentar o circuito de campo, pois isso

faz com que o motor dispare.

4.6 Tipos de Excitao e Variao de Velocidade

+

-

E g

RA

IA

+

-

VA

LF

RF

VF

+

-

IF


29

Existem vrios tipos de ligaes que podem ser feitas no motor CC. Estas possibilidades se devem ao modo com que o enrolamento de campo e a armadura so conectados. Cada tipo de excitao ser apresentado a seguir.

a) Motor com Excitao Independente

Neste tipo de ligao, tambm chamado de excitao separada, o campo shunt e a armadura so alimentados por fontes independentes, proporcionando grande flexibilidade no controle de velocidade.

A variao de velocidade pode ser feita variando a tenso de armadura e/ou variando a tenso de campo. Consideremos inicialmente que o fluxo magntico e a tenso de armadura VA so constantes e com valor nominal. Assim, a partir das equaes abaixo, podemos tirar concluses importantes:

=

kIRV

w AAA AIkT =

1. a velocidade depende do valor da corrente de armadura, sendo que um aumento na corrente provoca uma reduo na velocidade;

2. se a resistncia de armadura fosse zero (condutor ideal), a velocidade seria constante, independente da corrente de armadura;

3. da equao de torque, nota-se que a corrente de armadura depende da carga mecnica acoplada ao eixo do motor. Quanto maior a carga, maior o torque necessrio no eixo, logo, maior corrente ser absorvida da fonte;

4. assim, conclui-se que a velocidade diminui quando a carga mecnica aumenta.

A curva ao lado representa o comportamento da velocidade em funo do torque para excitao independente.

Um dos grandes requisitos em sistemas industriais a possibilidade de

IA

+

-

LF

IF

VF+

-

VA Mcc

TTnominal(Vazio)TPERDAS

wnominal

wvazio

WNominal

w

VAVNominalRA . IA


30

variao de velocidade. Normalmente, a variao de velocidade obtida atravs da variao da tenso de armadura mantendo o fluxo constante e nominal. A partir da equao (5) temos que a velocidade varia linearmente com a tenso de armadura como mostra a figura ao lado.

Com fluxo e corrente de armadura com valores nominais, obtm-se torque nominal desde velocidade zero at velocidade nominal. Sabendo que a potncia dada por )( TwP = , conclui-se a potncia ser proporcional a velocidade. Muitas vezes necessrio elevar a velocidade acima do valor nominal, desde de que se respeite o valor mximo permitido para a mquina. Neste caso, a tenso de armadura mantida constante em seu valor nominal e a velocidade se eleva por meio do enfraquecimento de campo, que feito atravs da reduo de VF e conseqentemente a reduo de IF e para valores abaixo de seus valores nominais. Da equao (5) nota-se que a velocidade inversamente proporcional ao fluxo, como mostra a curva ao lado. Se por um lado a reduo de fluxo proporciona aumento da velocidade, por outro traz consigo a diminuio da capacidade de torque do motor, o que verificado pela equao

AIkT = .

A mxima velocidade obtida atravs do enfraquecimento de campo ser limitada pelas caractersticas mecnicas do motor e a tendncia do motor se tornar instvel para operao com baixo fluxo. As curvas abaixo representam o comportamento das grandezas torque(T), potncia (P) e velocidade (w) para esta filosofia de controle apresentada.

Os dois modos de controle apresentam caractersticas diferentes. O controle por armadura oferece rpida resposta, preciso e linearidade. Enquanto o controle por campo lento devido elevada constante de tempo do circuito (alta indutncia). Alm disso, o controle de campo isento de linearidade, fato comprovado pela curva w x j apresentada. Ainda se ressalta a relao no linear existente entre fluxo e

T

P

TN

PN

RotaoMxima

w

Controle peloCampo

Controle pelaArmadura

T, P

RotaoNominal

(enfraquecimento de campo)(campo constante)

WNominal

w

Nominal


31

corrente de campo, devido caracterstica (curva B x H) do material magntico que compe o ncleo.

b) Motor com Excitao Paralela (Shunt)

Neste tipo de ligao o campo shunt e a armadura so ligados em paralelo (derivao), a corrente da fonte bifurca-se passando parte pelo campo e o restante pela armadura. Esquematicamente o motor com excitao paralela representado como se mostra abaixo:

I A

Mcc

+

-

V

shunt

reostato

IF

Este tipo se mostra como uma soluo simples, j que necessita apenas de uma fonte. Entretanto dificulta o controle de velocidade em ampla faixa, pois no possvel reduzir a tenso de armadura sem reduzir junto o fluxo. Isso acontecendo, permite diminuio de velocidade mas reduz tambm a capacidade de torque da mquina. Assim sendo, os motores com excitao paralela so usados onde se requer pequeno torque de partida e uma velocidade praticamente constante, como nos ventiladores, bombas centrfugas, mquinas ferramentas, etc. Quando for necessrio variar a velocidade do motor derivao em pequena faixa, adiciona-se um reostato em srie com o campo; manobrando-se o reostato consegue-se ajustar a corrente do campo que proporciona um fluxo adequado velocidade desejada.

c) Motor Com Excitao Srie

Neste tipo de excitao a armadura e o enrolamento de campo so ligados em srie, portanto a corrente de armadura circula tambm pelo campo. Esquematicamente mquina srie representada pela figura ao lado.

O enrolamento de campo utilizado o enrolamento srie, diferente dos casos anteriores onde o enrolamento shunt usado. O enrolamento srie apresenta menos espiras, porm de maior capacidade de corrente.

Neste tipo de motor o fluxo depende diretamente da corrente da armadura. Se considerarmos a relao entre fluxo e corrente linear, pode-se afirmar que, enquanto o ncleo magntico no estiver saturado, o conjugado varia diretamente com o quadrado da corrente, ou seja 2AIkT = .

I A

Mcc

+

-

V

srie

reostato

IA

c IA


32

Sendo assim, o motor srie possui um grande conjugado de partida, alm de poder trabalhar em regime de sobrecargas, sendo o aumento do consumo de corrente relativamente moderado. Estas propriedades so essencialmente importantes para trao eltrica (trens, metrs), acionamento de guindastes, pontes rolantes, etc, o que evidencia a aplicao dos motores com excitao srie nestes fins. Pelas relaes bsicas do motor CC, sabe-se que a velocidade varia inversamente com fluxo. E como no motor srie o fluxo depende diretamente da corrente de armadura, logo a velocidade quase inversamente proporcional a corrente de armadura.

Sendo assim, se a carga no eixo do motor aumenta, maior ser o torque requerido e conseqentemente, maior ser a corrente de armadura, o que leva a um aumento de fluxo e portanto, diminuio da velocidade. Por outro lado se a carga diminui, a corrente e o fluxo diminuem, provocando aumento na velocidade.

O comportamento da velocidade com a carga (torque) apresentado na figura ao lado. Para este tipo de excitao deve-se ter o cuidado de no deixar a carga diminuir demasiadamente, principalmente com tenso nominal, pois sendo o fluxo muito pequeno, h o perigo da mquina disparar com desastrosas conseqncias para os mancais e a armadura.

Quando a carga for constante e se necessita regular a velocidade, pode ser utilizado um reostato em paralelo com o enrolamento srie variando assim o fluxo; ou se o campo srie apresentar derivaes pode-se variar o nmero de espiras. H ainda outros processos para controlar a velocidade de um motor srie. Os motores srie de pequena potncia que possuem o campo laminado servem para funcionar com C.A. e so chamados de motores universais.

d) Motor Composto

Mcc

reostato

srie

Vreostato

shunt

4.7 Inverso de Rotao

Os motores podem funcionar em ambos os sentidos de rotao, horrio e anti-horrio, sem prejuzo da ventilao, conjugado ou potncia.

Para inverter o sentido de rotao do motor, deve-se inverter a polaridade da ligao da armadura ou do campo. A inverso de ambos ao mesmo tempo no trar resultados.

T


33

4.8 Partida de Motores CC

O fator limitante da corrente de armadura na partida a resistncia de armadura, porque naquele instante a fora contra-eletromotriz nula. Como a resistncia de armadura apresenta baixo valor, a corrente de partida muito superior corrente nominal.

A

A

PARTIDAA R

VI =

Motores pequenos, de at 1 kW, podero partir com tenso plena, e acima desse valor devero possuir algum sistema de limitao da corrente, pois esta pode danificar o comutador.

Para reduzir a corrente na partida, podem ser utilizados resistores de partida em srie com a armadura. Uma outra opo elevar a tenso de armadura gradativamente medida que a mquina acelera, isso possvel com o uso de retificadores controlados ou Choppers.

4.9 Frenagem de Motores CC

A frenagem de um motor CC caracterizada pela inverso do sentido da corrente de armadura, o que provoca um conjugado negativo, ou seja, as foras nos condutores da armadura invertem o sentido, provocando a desacelerao.

a) Frenagem por Contra Corrente Este tipo de frenagem realiza-se invertendo o sentido de rotao do motor por

inverso do sentido da corrente na armadura. Isso obtido invertendo a polaridade da fonte que alimenta a armadura.

b) Frenagem Reosttica Durante a frenagem reosttica, a armadura desligada da rede e conectada a uma

resistncia de carga. Nesta situao a mquina funciona como gerador, dissipando a energia cintica armazenada em seu eixo.

c) Frenagem Regenerativa ou com Recuperao de Energia Quando a mquina est inicialmente funcionando como motor e passa a ser

acionada pela carga a uma velocidade superior do funcionamento em vazio. Neste caso a fora contra-eletromotriz torna-se maior que a tenso da fonte e, por isso, a corrente de armadura muda de sentido; em conseqncia, muda de sentido o conjugado desenvolvido pela mquina, isto , a mquina funciona como gerador, transferindo energia do eixo para a fonte.

4.10 Fontes de Alimentao de Motores CC


34

Para se obter uma tenso de corrente contnua de nvel varivel pode-se utilizar um dos seguintes mtodos: a) A corrente de armadura e do campo pode ser ajustada atravs de resistncias

variveis em escalas. A desvantagem o baixo rendimento devido s perdas geradas. b) Conversores Estticos

O anseio da indstria fabricante de mquinas por acionamentos que ocupem pouco espao fsico, mas que fossem altamente dinmicos, isto , com rpida variao de corrente a alta repetibilidade, levou ao desenvolvimento dos conversores estticos a semicondutor.

Estes conversores aplicados a acionamentos de motores CC podem ser: uma ponte retificadora tiristorizada que fornece corrente contnua com tenso varivel a partir de uma tenso alternada fixa em amplitude e freqncia; ou um circuito Chopper, que fornece tenso contnua varivel a partir de uma tenso contnua de valor constante.

a) ponte retificadora monofsica com tiristores:

b) ponte retificadora trifsica com tiristores:

c) Conversores Duais: Para aplicaes onde se faz necessrio o

acionamento e frenagem em ambos os sentidos de rotao, deve-se utilizar conversores que permitam uma operao em 4 quadrantes. Para possibilitar essa operao, ligam-se duas pontes tiristorizadas em anti-paralelo. Essa ligao recebe a denominao de Conversor Dual. d) Chopper: Atravs do chaveamento em alta freqncia da chave controlada (transistor)

mostrada na figura abaixo pode-se controlar a tenso de sada a partir de uma fonte de alimentao com tenso constante. A utilizao de chaveamento em alta freqncia visa minimizar as perdas e melhorar a eficincia da fonte. Por outro lado este conversor mais caro e complexo que os anteriores.

Vcc Vcc


35


36

CAPITULO 5. Gerador de Corrente Contnua

5.1 Introduo

A corrente contnua encontra aplicao em vrios setores industriais, como, por exemplo: Instalaes de eletroqumica, carga de baterias de acumuladores, trao eltrica, eletroms de aplicaes industriais, solda eltrica a arco voltaico, etc. Nas instalaes de eletroqumica a corrente contnua obtida por meio da retificao da corrente alternada por meio de retificadores, porm em muitas instalaes deste gnero a corrente contnua obtida por dnamos, isto , por mquinas que fornecem energia eltrica em corrente contnua utilizando energia mecnica produzida por motores de combusto ou por motores CA.

5.2 Princpio de Funcionamento

O princpio de funcionamento do gerador CC o mesmo apresentado para o gerador elementar discutido no Captulo anterior Eletromagnetismo. Baseia-se na induo de tenso eltrica em condutores quando estes cortam linhas de campo magntico. Na figura, a espira imersa em um campo magntico. Quando a espira colocada em movimento de rotao, seus condutores laterais cortam as linhas de campo, o que leva ao surgimento de uma tenso induzida. Originalmente a tenso induzida alternada, porm, com o uso do comutador pode-se obter tenso contnua. A corrente unidirecional pulsante, que tem um valor nulo duas vezes por ciclo, dificilmente utilizvel como alimentao CC comercial. A tenso de sada pode ser tornada menos pulsativa pelo uso de um grande nmero de bobinas os segmentos do comutador. O efeito de se aumentar o nmero de bobinas e segmentos mostrado na figura abaixo. Para exemplificar, empregando 6 espiras, teremos 12 segmentos. Cada segmento estar em contato com a escova por 1/12 de rotao.

5.3 Comparao: Ao Motora e Ao Geradora

N

S

B x'

I

segmento

escova


37

Em termos construtivos o gerador CC e o motor CC so idnticos, ou em outras palavras, so a mesma mquina. Portanto a mquina CC pode ser operada como motor ou gerador.

Ressalta-se um fato ainda mais relevante: seja quando opera como motor ou gerador, sempre se desenvolve simultaneamente a ao motora e a ao geradora.

Quando a mquina funciona como motor, uma tenso induzida surge na armadura com sentido tal que se ope a circulao de corrente na mesma. O circuito de armadura representado abaixo.

AAgA IREV += (motor)

Note que para a corrente circular no sentido indicado, a tenso induzida (Eg) deve ser menor que a tenso nos terminais da armadura (Va). Assim, quando a mquina funciona como motor, a tenso induzida sempre menor que a tenso nos terminais.

Quando a mquina opera como gerador, o movimento de rotao deve ser provocado por uma fora externa. Com o movimento, uma tenso induzida nos terminais da armadura. Quando ligada a uma carga, a circulao de corrente de armadura produzir um torque resistente, que se ope ao movimento, ou seja com sentido contrrio ao torque externo.

No caso de um gerador o circuito de armadura representado abaixo.

AAgA IREV = (gerador)

Note que no caso gerador a corrente de armadura tem o mesmo sentido que a tenso induzida. Alm disso, observa-se que a tenso induzida Eg sempre maior que a tenso nos terminais da armadura (Va).

5.4 Tipos de Excitao

Existem vrios tipos de ligaes que podem ser feitas no gerador CC. O mtodo de classificao dos geradores CC est baseado no modo de excitar o enrolamento de campo para produzir a fluxo magntico necessrio para gerar a tenso.

e) Gerador com Excitao Independente

+

-

E g

RA

IA

+

-

VA

+

-

Eg

RA

IA

+

-

VA

carga


38

Neste tipo de ligao, tambm chamada de excitao separada, o campo shunt ligado a uma fonte CC, que independente da tenso de armadura Va.

R

VAG

A

IA

VF

IFRF

LF

cargaVAEG

A

IA

VF

IFRF

LF

carga

w

Como j tratamos, a tenso induzida dada por:

wkEG =

Assim, a tenso induzida depende do fluxo magntico , produzido pelo enrolamento de campo; e da velocidade w com que a armadura movimentada pela mquina primria. A tenso nos terminais da armadura Va dada por:

AAgA IREV =

Note que a tenso nos terminais da armadura (Va) depende da carga. Com o aumento da corrente de armadura, ocorre um decrscimo da tenso Va, provocado pela queda de tenso existente nos enrolamentos da armadura ( AA IR ).

f) Geradores Auto-Excitados

possvel que um gerador CC produza uma tenso com suficiente magnitude para excitar seu prprio campo, tal excitao denominada de auto-excitao. Os geradores auto-excitados podem ser shunt (paralelo), srie ou compostos.

Gerador shunt auto-excitado


39

Neste caso o enrolamento de campo shunt ligado na armadura, como mostra o esquema abaixo. Pode-se utilizar um reostato para ajuste de corrente de campo.

carga

RA

IA ILIFR ajuste

LF

VA cargaE G

RA

IA ILIFR ajuste

LF

VA

A auto-excitao possvel tendo em vista a presena do magnetismo remanescente (magnetismo residual) que permaneceu no ncleo da mquina na ltima vez em que foi a mesma foi desligada.

Assim, quando a armadura colocada em movimento por ao da mquina primria, existir uma pequena tenso induzida nos terminais da armadura. Como esta tenso est aplicada ao circuito de campo, comea circular uma pequena corrente de campo IF. Com esta corrente, ocorre um crescimento do fluxo magntico levando a um aumento da tenso gerada. Isso faz a corrente de campo aumenta ainda mais e assim por diante. Este processo continuar at que em alguns segundos a mquina fornece a tenso nominal.

A Figura abaixo mostra este processo. A curva representa o comportamento da tenso gerada versus corrente de campo em um gerador (curva de magnetizao). Representam-se graficamente tambm uma famlia de retas representando diferentes resistncias do circuito de campo.

O ponto de interseo entre a curva de magnetizao e a reta da resistncia de campo define o ponto em que o processo pra. A tenso induzida produzida, quando aplicada ao


40

circuito de campo, produz uma corrente que, por sua vez, produz um fluxo magntico suficiente para induzir uma tenso de mesma magnitude. Por exemplo, para resistncia do circuito de campo igual Rf, a tenso final dada por E8. Se a resistncia do circuito de campo for diminuda para Rf1, por meio de reostato de campo, a tenso gerada atinge um valor maior, dado por E9.

De outro modo, se a resistncia do circuito de campo for aumentada a tenso induzida atingir um valor mais baixo. A resistncia do reostato pode ser aumentada at que o circuito de campo alcance a resistncia crtica de campo, Rc. Resistncias superiores ao valor crtico no permitiro a auto-excitao, produzindo uma tenso na armadura aproximadamente igual a E1.

Razes que impedem a auto-excitao:

Falta de (ou baixo) magnetismo residual provocado por vibrao excessiva, calor extremo, choques mecnicos, longo tempo desenergizado.

Conexo do circuito de campo invertida em relao ao circuito de armadura;

Resistncia do circuito de campo maior do que a resistncia critica;

Conexo aberta ou alta impedncia no circuito de armadura comutador sujo, escova frouxa.

Baixa resistncia de carga.


41

CAPITULO 6 - Circuitos em Corrente Alternada

6.1 Elementos de Circuitos


42


43


44


45


46

6.2 Definies gerais


47


48

6.3 Potncia em Corrente Alternada


49

Exemplo 1


50


51


52


53


54


55

1


56


57

6.4 Sistemas em Corrente Alternada


58


59


60

6.5 Tipos de Ligao em Sistemas 3


61


62


63

6.6 Potncias 3

Exemplo 2


64


65

Exemplo 3


66

Exemplo 4


67

CAPITULO 7 - Motor de Induo Trifsico MIT

7.1 Caractersticas Construtivas


68


69

7.2 Princpios de Funcionamento


70


71

Exemplo 1


72

7.3 Tipos de Ligao

8.3.1


73


74

7.3.2


75


76

Exemplo 2


77


78

7.4 Curvas Caractersticas do MIT

7.4.1 Conjugado x Velocidade (Te x nr)


79

7.4.2 Categorias


80


81

Exemplo 3


82


83

7.4.3 Determinao do Tempo de Acelerao de um MIT em Carga


84


85

Exemplo 4


86

7.5 Dispositivos de Partida

7.5.1 Introduo

7.5.2 Partida Direta


87

7.5.3 Partida Estrela-Tringulo (/)


88


89

Demonstrao

7.5.4 Partida com Chave Compensadora (Autotrafo)


90


91

Demonstrao

Exemplo 5


92


93

Exemplo 6


94

Exemplo 7


95

Exemplo 8


96

CAPITULO 8. - Acionamento de Motor de Induo 3 (MIT)

8.1 Introduo

Os motores de induo trifsicos so robustos, tm um custo menor, comparativamente com os motores CC, particularmente os motores de induo com rotor em gaiola, requerem pouca manuteno e tem uma alta relao peso/potncia. At recentemente estes motores eram pouco usados em aplicaes com controle de velocidade, atravs dos mtodos clssicos, pois sua eficincia diminui muito para operao com velocidades menores. Estes motores tem sido utilizados em aplicaes que requerem velocidade constante e que operam a partir de uma fonte de alimentao com tenso e freqncia constantes. Com a evoluo da eletrnica de potncia, os conversores atingiram um estgio, no qual os motores de induo podem ser considerados como srios rivais do motor CC, em muitos sistemas de controle de velocidade. Os conversores necessrios para controlar satisfatoriamente a velocidade de um motor de induo so relativamente complicados e mais caros que aqueles para os motores CC, mas a confiabilidade e convenincia da fonte de alimentao, compensam suas desvantagens. Em muitas aplicaes a fonte de energia para a alimentao do motor de induo pode ter :

Tenso terminal controlada e freqncia constante; Tenso terminal e freqncia constantes; Tenso terminal e freqncia controladas; Corrente de linha e freqncia constantes;

Para anlise do comportamento de um motor de induo utiliza-se representar seu funcionamento atravs de um modelo matemtico. O modelo bsico utilizado neste captulo aquele obtido para um motor de induo com rotor bobinado; sendo que o motor com rotor em gaiola, considerado como um caso especial. Os modelos desenvolvidos so utilizados somente para a determinao da operao em regime permanente de um motor de induo sob condies balanceadas.

8.2 Circuito Equivalente

O circuito equivalente por fase de um motor de induo com rotor bobinado mostrado na Fig. 9.1. No modelamento do sistema fsico de campos magnticos e circuitos acoplados, existem pequenas aproximaes para levar em conta a representao de fenmenos fsicos distribudos atravs de elementos de circuitos concentrados. Estas aproximaes no produzem discrepncias significantes entre as previses de desempenho a partir do modelo e o desempenho real do motor alimentado com fonte de tenso e freqncia constantes. Portanto, o modelo da Fig. 9.1, pode ser chamado de circuito equivalente exato. A seguinte relao freqncia/velocidade pode ser aplicada ao modelo:

msr 2p

= (9.1) Onde : r freqncia angular do rotor (rad/s);

s freqncia angular do estator (rad/s);


97

m velocidade angular do rotor (rad/s); p nmero de plos.

O escorregamento definido por:

s

ms

s

r 2p

s

=

=

(9.2)

Fig. 9.1 Circuito equivalente por fase de um motor de induo

Se Nre e Nse so os nmeros de espiras efetivas por fase do rotor e do estator, respectivamente, tem-se:

se

re

ma

mA

NN

sEE

= (9.3)

re

se

'

a

A

NN

II

= (9.4)

A impedncia do circuito do rotor ZA vista pela fonte de alimentao do estator, como uma impedncia equivalente ZA, onde:

2

se

re

A

'

A

NN

sZZ

= (9.5)

Das relaes anteriores pode ser mostrado que a relao entre as potncias desenvolvidas (por fase) nos circuitos do rotor e do estator :

sPP

ma

mA= (9.6)

Fase A Fase a

Pma PmA

Pmec mT

Zex ZA

Ic Ima

Ia Nre Ns

Em

j r Llr

Rc j s L

IA

VA Em

Ia j s LRs

V

Rr


98

Portanto a potncia trifsica, convertida em potncia mecnica :

( ) ( ) mas

mmamAmad P2

p3Ps13PP3P

=== (9.7)

O conjugado desenvolvido pelo motor :

s

ma

m

d P2p3PT

=

= (9.8)

Em algumas aplicaes com motor de induo com rotor bobinado, alimentado por conversor, necessrio utilizar o modelo da mquina, mostrado na Fig. 9.1. Para motor de induo com rotor em gaiola, para o qual no existe a possibilidade de conexes externas ao circuito do rotor, com todos os parmetros e variveis referidos ao estator pode-se utilizar o circuito equivalente da Fig. 9.2. Neste circuito:

( ) ( ) ( ) ( )2'a'r2'a'r2'a'rma IRs

s1IRIs

RP +==

(9.9)

A potncia desenvolvida total pelo motor :

( ) ( )2'a'rd IRs

s13P = (9.10)

Fig. 9.2 Circuito equivalente por fase referido ao estator

Pma

ZA

Ic Ima

Ia j r Llr

Rc j s L

Ia j s LRs

V

Rr


99

8.3 Curvas Caractersticas

A Fig. 9.3.a mostra as curvas do conjugado desenvolvido, do fator de potncia, da corrente de entrada e da potncia de entrada em funo do escorregamento para um motor de induo de 15kW, rotor bobinado com tenso terminal e a freqncia constantes. Na Fig. 9.3.b so mostradas as mesmas curvas e a curva da tenso terminal, porm com a corrente de entrada e freqncia constantes. Deve-se ressaltar que Lms considerada constante, mesmo com a variao da tenso terminal. O escorregamento nominal deste motor aproximadamente 0,03, e no caso da alimentao com fonte de corrente, a corrente de entrada aproximadamente igual ao seu valor nominal, na regio de operao instvel da caracterstica conjugado-escorregamento (inclinao positiva). O motor no deve operar na regio estvel com esta corrente pois a tenso terminal poderia ser excessivamente alta e o circuito magntico poderia estar muito saturado. claro, portanto, que uma fonte de corrente no poderia ser usada em um sistema sem uma malha de realimentao de velocidade. As curvas do fator de potncia em funo do escorregamento so idnticas para os 2 tipos de fonte de alimentao.

Figura 9.3 Curvas caractersticas de um motor de induo

8.3 Controle de Velocidade de MIT

O controle de velocidade para um motor de induo, tem sido desejado h muito tempo, e vrios mtodos para se obter a variao de velocidade em degraus ou continuamente, tem sido desenvolvidos, alguns dos quais resultaram em mquinas complicadas (motor Schrage) e alguns no uso de mquinas auxiliares (sistemas Scherbius e Kraemer). Poucos destes sistemas tm uma eficincia razovel e todos requerem mais manuteno que a do prprio motor de induo. Os princpios bsicos dos mtodos de controle de velocidade que so relevantes para sistemas que utilizam conversores, sero discutidos a seguir.

8.3.1 Variao da Resistncia do Circuito do Rotor

A vantagem do motor de induo com rotor bobinado em relao ao de rotor em gaiola a possibilidade de controlar a velocidade da carga do motor, atravs da insero de resistncias adicionais no circuito do rotor. Esta tcnica possibilita tambm manter a corrente do motor em valores baixos durante a sua partida, sem sacrificar o conjugado de partida, portanto quando so necessrias partidas repetidas ou partida com cargas com elevada inrcia, com tempo de acelerao muito grande, o motor de induo com rotor bobinado apropriado para realizao deste servio, sem perigo de sobreaquecimento. O

a b

fp

T

Ia

Pin

fp

T

Pin Va


100

circuito do motor com resistncia externa varivel, no circuito do rotor ilustrado na Fig. 9.4.a. A eq. (9.11) mostra que se a resistncia do circuito do rotor for variada, o escorregamento no qual ocorre o conjugado mximo tambm variar e pode se torna maior que a unidade. A famlia de curvas conjugado-escorregamento para vrios valores de resistncia adicionais no circuito do rotor, mostrada na Fig. 9.4.b. A operao estvel ocorrer na interseco das curvas do conjugado desenvolvido com curva do conjugado de carga no eixo do motor, mais o conjugado devido s perdas rotacionais. Se a resistncia do circuito do rotor for suficientemente grande, a carga pode acionar o motor no sentido contrrio, como mostrado no ponto p na Fig. 9.4.b. Neste ponto o conjugado do motor tem um sentido contrrio ao da rotao. A inverso da seqncia de fases da fonte de alimentao do motor, produz uma frenagem (plugging) na mquina no segundo quadrante da Fig. 9.4.b. A corrente muito alta, a menos que um grande valor de resistncia adicional seja inserido, tornando a relao conjugado de frenagem por amperagem baixa. Este mtodo permissvel somente para curtos perodos de frenagens rpidas ou longos perodos com frenagem lenta. Pode-se notar que em vazio o controle de velocidade no efetivo pois a velocidade muito prxima da velocidade sncrona, no importando o valor de resistncia adicional inserido no circuito do rotor. Se o escorregamento torna-se negativo, que o caso quando o motor acionado, com velocidade acima da velocidade sncrona, atravs de um sistema mecnico, o conjugado desenvolvido torna-se negativo e obtm-se a frenagem com regenerao, com a energia no sentido para a fonte de alimentao. Um mtodo alternativo de variao da resistncia do circuito do rotor mostrado na Fig. 9.5. Aqui a sada do rotor retificada e aplicada a um nico resistor varivel. Este arranjo elimina qualquer perigo de desbalanceamento devido desigualdade de um resistor trifsico, como mostrado na Fig. 9.4.a. O sistema da Fig. 9.5 poderia ser alterado atravs da introduo de um chopper entre o retificador e o resistor, o qual poderia ter um valor fixo. Este um sistema para o qual uma malha de realimentao de velocidade poderia ser adicionada para proporcionar um controle velocidade independente do conjugado de carga. A desvantagem do retificador no circuito do rotor que as correntes do rotor no so senoidais e as harmnicas so transferidas atravs do motor para a fonte de alimentao.

Ls

'

rs

aa

Ljs

RR

VI+

+

=

(9.11)

a


101

Fig. 9.4 Controle de velocidade de um motor com rotor bobinado atravs da variao da resistncia externa ao circuito do rotor

Fig. 9.5 Mtodo alternativo para a variao da resistncia do circuito do rotor

8.3.2 Variao da Tenso Terminal

Como o conjugado desenvolvido proporcional ao quadrado da tenso aplicada, o controle de velocidade da carga do motor pode ser obtido atravs da variao da tenso terminal. Para isto, necessrio usar um motor de induo com rotor em gaiola classe D, com uma gaiola de alta resistncia ou um motor com rotor bobinado com alguma resistncia fixa inserida no circuito do rotor. Neste caso as curvas conjugado-velocidade poderiam ter a forma mostrada na Fig. 9.6. O motor com rotor bobinado tem uma vantagem que o calor gerado pela resistncia do circuito do rotor, em sua maior parte, produzida externamente a mquina e facilmente dissipado. O motor pode ser portanto, menor que um com rotor em gaiola, para realizar o mesmo servio. O controle com o motor com rotor em gaiola, tem a vantagem da simplicidade.

b


102

Fig. 9.6 Controle de velocidade atravs da variao da tenso da fonte de alimentao

8.3.3 Variao da Freqncia da Fonte de Alimentao

A velocidade sncrona de um motor de induo dada por:

pf4

s

pi= ou

pf.120N s = (9.12)

Se a freqncia da fonte de alimentao puder ser variada, a velocidade do motor em carga e em vazio tambm poder ser variada. Em algumas aplicaes especiais a instalao era justificvel, antes da introduo dos conversores de potncia. A fonte para esta condio, poderia ser obtida atravs de um gerador CA, com a velocidade controlada por um motor CC. A curvas conjugado-velocidade obtidas com este sistema so ilustradas na Fig. 9.7. A caracterstica de base aquela obtida com a freqncia da fonte igual freqncia padro do sistema de potncia b para a qual o motor foi projetado. Se o circuito magntico do motor no se torna saturado (ele projetado para operar com um determinado grau de saturao) os circuitos equivalentes das Fig. 9.1 e 9.2, mostram que a tenso Va precisa ser aumentada ou diminuda com s. Se o efeito da impedncia do estator pode ser ignorado, mantendo-se a relao Va /s constante, resultar num valor de Ima constante e isto resultar em um grau de saturao e uma amplitude constante para a densidade de fluxo no entreferro. Somente em baixas freqncias o efeito de Rs torna-se maior que o de Lls, sendo portanto necessrio aumentar a relao Va /s. A eq. (9.13) mostra que se mantendo a relao Va /s constante e se s no for muito baixa, o conjugado mximo mantido constante. Isto resulta em curvas paralelas, como mostrado na parte inferior da Fig. 9.7.

( )( )2Ls

2a

max LV

4p3T

=

(9.13)


103

Fig. 9.7 Operao do motor de induo com freqncia varivel

A caracterstica bsica obtida para tenso e freqncia nominais. Para velocidades acima das obtidas sob estas condies, s deve ser aumentado, mas a tenso terminal no pode exceder o seu valor nominal, pela limitao da fonte de alimentao ou um limite imposto pelo isolamento do estator. Se a relao Va /s decresce, o conjugado mximo tambm diminuir, mas no o produto (s s) no qual ele ocorre. Portanto para freqncias maiores que a nominal, obtm-se as caractersticas que mostradas na parte superior da Fig. 9.7. Esta corresponde a regio de operao com enfraquecimento de campo de um motor CC com excitao independente e a expresso enfraquecimento de campo pode ser tambm aplicada ao motor de induo, pois com a diminuio da relao Va /s a amplitude do campo girante no entreferro do motor tambm diminui.

8.4 Caractersticas Nominais

O diagrama na Fig. 9.7 para operao como motor no sentido positivo de rotao para frenagem com regenerao. Se este diagrama for girado de 180 e o resultado adicionado a Fig. 9.7, o diagrama composto obtido, poderia ser tanto para operao com rotao no sentido positivo como negativo. A imposio de uma velocidade limite por razes mecnicas, poderia resultar em uma fronteira horizontal desde a parte superior at a parte inferior do diagrama e a adio de uma envoltria, atravs dos pontos de conjugado mximo em todas as curvas, resultaria em uma caracterstica similar a mquina CC. Esta caracterstica representa a fronteira que no poderia ser ultrapassada por nenhum ponto de operao do motor, em nenhuma circunstncia, pois se fosse


104

ultrapassada, levaria o motor condio de rotor bloqueado ou acionado a uma velocidade incontrolada no segundo quadrante. Se os pontos para operao com corrente permissvel, forem marcados em cada curva e juntados para formar uma fronteira similar no mesmo formato, estes estariam dentro da regio definida anteriormente e formariam a fronteira d com os pontos de operao contnua com a corrente permissvel. Estes valores permissveis de corrente para operao contnua so determinados pelo valor eficaz da corrente e ao valor da variao de fluxo. Quando os terminais do estator de um motor de induo com rotor em gaiola so conectados a um conversor, a corrente e a variao do fluxo no motor no so funes senoidais no tempo, mas contm harmnicas, as quais dependem da natureza do conversor e das condies de operao. As componentes harmnicas aumentam as perdas para uma dada potncia mecnica, em relao quelas quando o motor alimentado por uma fonte convencional com tenso senoidal. Os motores com rotor em gaiola classe B e C, so projetados para operar com velocidade constante, com alto conjugado e partida e baixa corrente de partida, e so providos de gaiola com ranhuras profundas ou dupla gaiola. O resultado que os parmetros do circuito equivalente do motor, variam com a velocidade. A variao de velocidade em um motor com rotor em gaiola, resulta tambm na variao do sistema de ventilao. A reduo de ventilao devido a diminuio da velocidade para aproximadamente a metade, em sistemas com freqncia varivel, compensado pela reduo das perdas no ferro que varia com a baixa freqncia. Para operao com uma velocidade e freqncia igual ao dobro da nominal, o aumento da ventilao, no suficiente para dissipar o aumento de calor. Portanto para a operao sobre toda a faixa de velocidade, com freqncia varivel, os motores classe B e C devem ter uma diminuio de sua capacidade em aproximadamente 20% para no ter sobreaquecimento. O motor com rotor bobinado pode operar com os terminais do estator ou do rotor conectados a conversores. Em ambos os casos existem componentes harmnicas e este motor deve ter sua capacidade limitada para a faixa de velocidade.


105

CAPITULO 9. Gerador Sncrono (Alternadores)

9.1 Introduo

So mquinas eltricas girantes destinadas a gerar corrente alternada a partir de uma fonte mecnica. Uma ilustrao tridimensional de um alternador monofsico com rotor de plos salientes mostrada na Figura 1 (A), onde Ic a corrente de campo. Nessa figura, foram omitidos os anis coletores, ilustrados na Figura 6 (A), que se

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