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1 Passaram-se muitas décadas desde a utilização da máquina a vapor INTRODUÇÃO A máquina eléctrica, generalizada em todos os domínios, produz uma energia: mais limpa, com maior rendimento, maior gama de soluções e aplicações e com maior distribuição geográfica A primeira a ser utilizada foi a de corrente contínua (c.c.) Com a descoberta do transformador, a distribuição de energia passou a a ser feita quase totalmente em c.a. A máquina de corrente alternada é, por isso, a mais utilizada Grandezas eléctricas e mecânicas que condicionam a escolha de uma máquina eléctrica rotativa: tipo de corrente; tensão utilizada; gama de frequências; gama de velocidades; potência útil; rendimento eléctrico; binário motor útil, binário de arranque; binário resistente; corrente de arranque e corrente nominal

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� Passaram-se muitas décadas desde a utilização da máquina a vapor

INTRODUÇÃO

� A máquina eléctrica, generalizada em todos os domínios, produz uma energia: mais limpa, com maior rendimento, maior gama de soluções e aplicações e com maior distribuição geográfica

� A primeira a ser utilizada foi a de corrente contínua (c.c.)

� Com a descoberta do transformador, a distribuição de energia passou a a ser feita quase totalmente em c.a. A máquina de corrente alternada é, por isso, a mais utilizada

� Grandezas eléctricas e mecânicas que condicionam a escolha de uma máquina eléctrica rotativa: tipo de corrente; tensão utilizada; gama de frequências; gama de velocidades; potência útil; rendimento eléctrico; binário motor útil, binário de arranque; binário resistente; corrente de arranque e corrente nominal

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• Campo girante (Teorema de Ferraris)

• 1888 Motores bifásicos – Ferraris

– Tesla

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

• Westinghouse compra patente Tesla.

• Primeiros motores bifásicos comerciais.

• 1890 - Dobrowolsky (AEG) MOTOR ASSÍNCRONO TRIFÁSICO.– Rotor em gaiola de esquilo.

– 1893 - Dupla gaiola de esquilo.

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CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

ROTATIVAS

De corrente

contínua

De corrente

alternada

Máquina assíncrona

Máquina síncrona

Geradores assíncronos

Geradores

(dínamos)

Motores

Motores assíncronos

Excitação independente

Excitação série

Excitação paralela

Excitação composta

Geradores síncronos

(Alternador)

Motores síncronos

BALANÇO ENERGÉTICO

GERADOREnergia

Eléctrica

Energia

Mecânica

Pa

Pp

Pu

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BALANÇO ENERGÉTICO

MOTOREnergia

Eléctrica

Energia

Mecânica

Pa

Pp

Pu

LEIS DO ELECTROMAGNETISMO

LEI DE FARADAY

LEI DE LENZ

LEI DE LAPLACE

LEI DE HOPKINSON

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LEIS DO ELECTROMAGNETISMO

LEIS DE FARADAY E DE LENZ

� Sempre que um condutor ou uma espira se movimentam dentro de um campo magnético, cortando as suas linhas de força, aparece aos seus terminais uma f.e.m. induzida que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, ou seja àvariação de fluxo através da espira.

� Se a espira deixar de rodar, deixa de haver causa (variação de fluxo) e portanto também o efeito (f.e.m. induzida).

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO COMO GERADOR!

LEIS DO ELECTROMAGNETISMO

LEI DE LAPLACE

� Sempre que um condutor ou uma espira, alimentado por uma fonte de energia eléctrica, for introduzido no seio de um campo magnético, exerce-se sobre ele uma força electromagnética F que o faz deslocar num determinado sentido (F = B.I.l.senα)

� No caso das máquinas rotativas, estas são constituídas por enrolamentos por várias espiras, apoiadas num eixo, pelo que o conjunto entra em movimento de rotação.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO COMO MOTOR!

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� As máquinas de corrente alternada são as mais utilizadas, não só porque a rede de c.a. está mais vulgarizada, mas também porque, nos casos dos motores, o motor assíncrono trifásico é um motor bastante mais barato, mais robusto do que o de c.c., tem um arranque fácil, não possui colector, (órgão delicado e caro), não produz faíscas e tem portanto uma manutenção muito reduzida

� Os motores assíncronos começam cada vez mais a substituir os motores de corrente contínua, nomeadamente no que diz respeito à capacidade em manter constante a potência mecânica fornecida, independentemente da variação da corrente absorvida pelo motor, utilizando o controlo electrónico de velocidade e binário

� O motor assíncrono monofásico utiliza-se para baixas potências até 1 a 2 KW

� O motor assíncrono trifásico utiliza-se para potências superiores

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• Simples

• Robusto

• Pouca manutenção

• 80% dos motores na indústria são assíncronos.

• Inconvenientes:– Regulação da velocidade.

MÁQUINA DE INDUÇÃO

A corrente que circula no enrolamento do rotor deve-se à f.e.m. induzida originada pelo fluxo magnético

variável do enrolamento do estátor

MÁQUINA ASSÍNCRONA

Gira a uma velocidade inferior à velocidade de sincronismo (campo magnético girante)

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� Uma máquina diz-se assíncrona quando roda (o rotor) a uma velocidade n’ diferente da velocidade de sincronismo.

� Motor assíncrono: n’ < n

� Gerador assíncrono (pouco utilizado): n’ > n

n’ – velocidade do rotor [r.p.s.]

n – velocidade do campo girante [r.p.s.]

Na máquina assíncrona, o circuito eléctrico do rotor não é alimentado, pois a corrente que nele aparece é por indução magnética, provocada pelo campo girante criado no estator. Por isso, a máquina assíncrona étambém conhecida por máquina de indução.

� ESTATOR (indutor) – onde é criado o campo magnético girante

� Entreferro (ar – distância entre o rotor e o estator)

� ROTOR (induzido)

Rotor em gaiola de esquilo (ou em c.c.

Rotor bobinado (ou de anéis)

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TIPOS DE MOTORES ASSÍNCRONOS QUANTO AO ROTOR

� Rotor em gaiola de esquilo (ou rotor em curto-circuito)

� Rotor bobinado (ou rotor de anéis)

Motor assíncrono de rotor em gaiola de esquilo

Motor assíncrono de rotor bobinado

ROTOR:

Gaiola de esquilo Bobinado (anéis)

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

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� O rotor em gaiola de esquilo é de construção rápida e simples.

� Representa um induzido mais prático e mais barato do que a vulgar bobinagem do núcleo com espiras fechadas e isoladas entre si

� As barras condutoras da gaiola são colocadas geralmente com umacerta inclinação para evitar as trepidações e ruídos que resultam da acção electrodinâmica entre os dentes das cavas do estator e do rotor

Bobinas

Anéis colectores

� Tanto no motor assíncrono trifásico com rotor em c.c. como no de rotor bobinado, os condutores do rotor estão ligados entre si, formando um circuito fechado

� No motor de rotor em gaiola de esquilo, o circuito é fechado interiormente

� No motor de rotor bobinado, o circuito é fechado exteriormente, através de anéis colectores

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� Circuito magnético estático constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si (para reduzir as perdas no ferro)

ESTATOR

� Bobinas (1, 2 ou 3 grupos) localizadas em cavas abertas no núcleo do estator e alimentadas pela rede de corrente alternada

� O Estator envolve o rotor

ESTATOR

• Empilhamento de chapas de ferro• Cavas para colocação dos enrolamentos• Enrolamentos desfasados desfasados 120º• Alimentado por correntes trifásicas.• Obtem-se assim (Teorema de Ferraris):

CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE (de valor constante)

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� Outro núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator

ROTOR

� O rotor é apoiado num veio, o qual transmite àcarga a energia mecânica produzida

ROTOR

• Chapas empilhadas

• GAIOLA DE ESQUILO:- Conductores de Alumínio curto-circuitados nos extremos.

• BOBINADO- Enrolamento trifásico:

• Um lado em ESTRELA.

• O outro conectado a ANÉIS.

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� A distância entre o rotor e o estator é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio da máquina e portanto as perdas e a aumentar o factor de potência em vazio

ENTREFERRO

• O campo girante atravessa os enrolamentos do rotor.

• Induzem-se f.e.ms

• Como estão curto-circuitados, aparecem correntes no rotor que interagem com o fluxo do estátor.

• É dessa interação que surge o binário de forças, pela Lei de Laplace.

Corrente induzida no rotor

Campo magnético induzido

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Se a velocidade do rotor n’ se aproxima da velocidade do campo girante n:

Menor será a f.e.m. induzida nos enrolamentos do rotorMenor será a corrente induzidaMenor será a força

Menor será o binário motor A máquina trava!

NUNCA ATINGE A VELOCIDADE DE SINCRONISMO n

� Uma máquina diz-se assíncrona quando roda (o rotor) a uma velocidade n’ diferente da velocidade de sincronismo.

� Motor assíncrono: n’ < n

� Gerador assíncrono (pouco utilizado): n’ > n

n’ – velocidade do rotor [r.p.s.]

n – velocidade do campo girante [r.p.s.]

� Uma máquina diz-se síncrona quando roda (o rotor) à velocidade de sincronismo.

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�O campo magnético girante é indispensável tanto para a máquina síncrona como para a máquina assíncrona

�O campo magnético girante é gerado no estator

Princípio de funcionamento do motor assíncrono – velocidade “não síncrona”

Princípio de funcionamento do motor síncrono – velocidade síncrona

� A agulha magnética representa o rotor (induzido)

� O núcleo ferromagnético em U representa o estator (indutor)

� Obrigámos o núcleo a girar, cria-se assim um campo magnético girante

� A agulha magnética (N’ e S’) roda àmesma velocidade do campo magnético girante – velocidade de sincronismo

Princípio de funcionamento do motor síncrono

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� A bobina curto-circuitada representa o rotor (induzido)

� O núcleo ferromagnético em U representa o estator (indutor)

� Obrigámos o núcleo a girar, cria-se assim um campo magnético girante

� A bobina não tem polaridade própria e irárodar a uma velocidade inferior à do campo magnético girante (leis de Faraday e de Lenz)

Princípio de funcionamento do motor assíncrono

�Não faz sentido produzir o campo magnético girante fazendo rodar o indutor (estator)!

� Na prática, consegue-se produzir um campo magnético girante a partir de um sistema trifásico de tensões

� O Teorema de Ferraris diz que “ um conjunto de 3 bobinas, desfasadas entre si de 120º, alimentadas por um sistema trifásico de correntes, produz um campo magnético girante de valor constante igual a 3/2 hmáx”

O estator não necessita, assim, de estar em movimento!

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� A criação de campos magnéticos girantes pode também ser feita através de uma só corrente alternada monofásica!

� O Teorema de Leblanc diz que “uma campo magnético alternado sinusoidal de direcção fixa, h=Hmáx.cos(ωt), é equivalente a 2 campos de valor constante h’=h’’=Hmáx/2, girando sobre um ponto comum, em sentido contrário um ao outro e com a mesma velocidade”

Princípio de funcionamento do motor assíncrono monofásico!

f = p.n

f – frequência da corrente alternada trifásica que alimenta os enrolamentos do estator [Hz]

n – velocidade do campo magnético girante [r.p.s.]

p – nº de par de pólos [r.p.s.]

rotor

Pólos equivalentes ou fictícios da máquina, resultado do campo magnético girante criado (não correspondem aos pólos magnéticos reais existentes na máquina

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� É possível ter um motor assíncrono trifásico a rodar à velocidade de sincronismo!

Motor assíncrono trifásico de rotor bobinado

Arranque (assíncrono) até atingir a velocidade nominal (n’ < n)

Excita-se o rotor com uma fonte de c. c. (tal como no motor síncrono)

O rotor acompanha o campo girante (n = n’)

O rotor atrasa-se, escorrega com uma velocidade relativa ng

gngn

=n n'

gn

−=

n n'g 100 %

n

−= ×

gn n n'= −

De acordo com as Leis de Faraday e de Lenz, se o motor roda à velocidade de sincronismo, então não haverá correntes induzidas no rotor, i.e. a frequência das correntes induzidas no rotor (fr) será nula

Como no motor assíncrono, n’ < n, existem correntes induzidas alternadas

sinusoidais: fr = g.f

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� Método estroboscópico

� Método do milivoltímetro

Medida do escorregamento

� Leitura directa (taquímetro)

� Método indirecto (através da medida do escorregamento)

Medida da velocidade do rotor

Medida da velocidade do rotor pelo método indirecto

(através da medida do escorregamento)

� A velocidade n’ do rotor pode ser lida utilizando um taquímetro aplicado ao veio do motor

� O valor é dado em r.p.m.

� A velocidade do campo girante (ou de sincronismo) n é sempre submúltipla de 3000 para a frequência da rede de 50 Hz imediatamente acima de n’