Máquinas Elétricas. Máquinas CA Parte I

Transcrição

1 Máquinas Elétricas Máquinas CA Parte I

2 Introdução A conversão eletromagnética de energia ocorre quando surgem alterações no fluxo concatenado (λ) decorrentes de movimento mecânico. Nas máquinas rotativas, as tensões são geradas nos enrolamentos ou grupos de bobinas quando: a) Estes giram mecanicamente dentro de um campo magnético; b) Um campo magnético gira mecanicamente próximo a estes enrolamentos; c) O circuito magnético é projetado de forma que a relutância varie com a rotação do rotor. Em qualquer destes casos, o fluxo concatenado em uma bobina específica é alterado ciclicamente e uma tensão variável no tempo é gerada.

3 Introdução Existem duas classes principais de máquinas CA: Máquinas síncronas: corrente geradora do campo magnético fornecida por uma fonte de potência CC separada. As correntes dos enrolamentos do rotor são fornecidas através de contatos rotativos fixados diretamente na parte estacionária do motor. Máquinas de indução: corrente geradora do campo magnético fornecida por indução magnética (ação de transformador) em seus enrolamentos de campo. As correntes são induzidas nos enrolamentos do rotor por meio da combinação da variação, no tempo, de correntes no estator e do movimento do rotor em relação ao estator. Em máquinas CA reais, o fluxo não é constante (nem em intensidade, nem em direção e sentido).

4 Uma máquina CA simples gerador

5 Uma máquina CA simples gerador

6 Uma máquina CA simples gerador

7 Uma máquina CA simples gerador

8 Uma máquina CA simples gerador

9 Uma máquina CA simples motor

10 Uma máquina CA simples motor

11 Uma máquina CA simples motor

12 Uma máquina CA simples motor

13 Uma máquina CA simples motor

14 Uma máquina CA simples motor

15 Uma máquina CA simples motor

16 Uma máquina CA simples motor

17 Campo magnético girante

18 Campo magnético girante

19 Campo magnético girante Conforme observado, se dois campos magnéticos estiverem presentes (um produzido pelo estator e outro produzido pelo rotor da máquina CA), então, temos um conjugado induzido no rotor que o fará girar até que os dois campos venham a se alinhar. Se o campo magnético do estator girar, o conjugado induzido no rotor faria com que ele perseguisse o campo magnético do estator em um movimento circular. A viabilização de um campo magnético girante está diretamente relacionado à possibilidade de existência de máquinas CA.

20 Campo magnético girante Para produção do campo magnético girante utilizam-se correntes trifásicas (mesma intensidade e defasadas entre si por ). Além da alimentação trifásica, os três enrolamentos associados estão espaçados elétricos entre si.

21 Campo magnético girante

22 Campo magnético girante uˆ naa iˆ B aa NI M sen t iˆ

23 Campo magnético girante u nbb B 0.5ˆ i bb ˆj 0 3 NI sent ˆ i ˆj M 3 2 2

24 Campo magnético girante uˆ ncc B 0,5ˆ i cc ˆj 0 3 NI sent 240 0,5ˆ i ˆj M 3 2 2

25 Campo magnético girante j i t sen j i t sen i t sen NI B j i t sen NI j i t sen NI i t sen NI B B B B B M res M M M res cc bb aa res ˆ ˆ 240 ˆ ˆ 120 ˆ ˆ ˆ 240 ˆ ˆ 120 ˆ

26 Campo magnético girante

27 Campo magnético girante

28 Campo magnético girante Esta é a equação final da densidade líquida de fluxo magnético. Podemos observar que este vetor muda constantemente de direção e sentido, porém, havendo uniformidade na construção dos enrolamentos e utilizando-se um sistema trifásico de alimentação equilibrado, a intensidade do vetor densidade de fluxo magnético será constante ao longo do tempo.

29 Campo magnético girante Podemos representar o campo magnético girante (do estator) como um polo norte e um polo sul que dão uma volta mecânica completa ao redor do estator para cada ciclo elétrico da corrente aplicada. Assim, a velocidade mecânica (f sm e ω sm ) de rotação do campo magnético, em rotações por segundo é igual à frequência elétrica (f se e ω se ) em Hz (dois polos): f se = f sm ω se = ω sm (em rps)

30 Campo magnético girante No caso da figura inferior, a cada ciclo elétrico, um polo desloca-se apenas metade do percurso circular ao longo da superfície do estator. Como cada ciclo elétrico tem 360 graus e como o deslocamento mecânico é de 180 graus, a relação entre graus elétricos (θ se ) é ângulo mecânico (θ sm ) nesse estator será: θ se = 2θ sm Portanto, para o enrolamento de quatro polos, a frequência elétrica da corrente é o dobro da frequência mecânica de rotação: f se = 2f sm ω se = 2ω sm (em rps)

31 Campo magnético girante

32 Campo magnético girante

33 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação É interessante observar que, se as correntes em quaisquer duas das três bobinas forem trocadas, o sentido de rotação do campo magnético girante será invertido. Isso significa que é possível inverter o sentido de rotação de um motor CA simplesmente trocando as conexões de quaisquer duas das três bobinas.

34 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação ˆ 120 ˆ ˆ 240 ˆ ˆ ˆ ncc M cc cc cc ncc M cc cc M cc cc M cc nbb M bb bb bb nbb M cc bb M bb bb M bb naa M aa aa aa naa M aa aa M aa aa M aa u t sen I N H B u t sen I N H t sen I N H t sen I i u t sen I N H B u t sen I N H t sen I N H t sen I i u t sen I N H B u t sen I N H t sen I N H t sen I i

35 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação uˆ naa iˆ B aa NI M sen t iˆ

36 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação u nbb B 0.5ˆ i bb ˆj 0 3 NI sent ˆ i ˆj M 3 2 2

37 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação uˆ ncc B 0,5ˆ i cc ˆj 0 3 NI sent 120 0,5ˆ i ˆj M 3 2 2

38 Campo magnético girante inversão do sentido de rotação j i t sen j i t sen i t sen NI B j i t sen NI j i t sen NI i t sen NI B B B B B M res M M M res cc bb aa res ˆ ˆ 120 ˆ ˆ 240 ˆ ˆ ˆ 120 ˆ ˆ 240 ˆ

39 Campo magnético girante B res NI M 3 i ˆ 0 0.5ˆ j sent 120 sen t iˆ 0 sent ˆ i 3 2 ˆ j B res NI NI M M 3 2 sen sen 0 0 t 0.5sent sent t 240 sent 120 ˆj 2 iˆ B res 3 NI 2 M sen 3 2 t iˆ NI cost ˆj M

40 Construção polos rotor

41 Construção polos rotor

42 Força magnetomotriz e distribuição de fluxo geração fem alternada O vetor densidade de fluxo B toma o caminho mais curto possível através do entreferro. Assim, a distribuição de fluxo no interior da máquina, com rotor de material ferromagnético, não será uniforme como as adotadas anteriormente para cálculo da fem induzida e do conjugado na máquina. Para conseguir uma fem senoidal, portanto, o valor da densidade de fluxo B deve variar de forma senoidal ao longo da superfície do entreferro.

43 Força magnetomotriz e distribuição de fluxo geração fem alternada A densidade de fluxo B somente terá variação senoidal se a intensidade de campo magnético e a fmm associada variarem de forma senoidal. A forma mais básica de obter uma variação senoidal da fmm ao longo da superfície de entreferro é distribuindo as espiras do enrolamento que produz a fmm em ranhuras proximamente distanciadas entre si ao longo da superfície da máquina e variando o número de condutores em cada ranhura de forma senoidal. O número de condutores em cada ranhura é dado por: n C = N C cosα Nesta equação, N C é o número de condutores no ângulo de 0 o.

44 Força magnetomotriz e distribuição de fluxo geração fem alternada Na prática, não é possível distribuir os enrolamentos exatamente de acordo com a equação definida anteriormente, pois temos apenas um número finito de ranhuras e, em cada uma delas, somente podemos inserir um número inteiro de condutores. A distribuição da fmm resultante será apenas aproximadamente senoidal e componentes harmônicas de ordem mais elevada estarão presentes.

45 Força magnetomotriz e distribuição de fluxo geração fem alternada

46 Se um conjunto de correntes no estator pode produzir um campo magnético girante, então, um campo magnético girante pode produzir um conjunto de tensões trifásicas nas bobinas do estator. Tensão induzida em máquinas CA

47 Tensão induzida em máquinas CA

48 Tensão induzida em máquinas CA

49 Tensão induzida em máquinas CA

50 Tensão induzida em máquinas CA

51 Tensão induzida em máquinas CA

52 Tensão induzida em máquinas CA conjunto trifásico

53 Tensão induzida em máquinas CA conjunto trifásico

54 Conforme já mencionado, em máquinas CA com uma operação normal, temos dois campos magnéticos presentes (associados aos enrolamentos de rotor e estator) e o conjugado é determinado (ou provocado) pela interação entre estes. Conjugado induzido em máquinas CA

55 Conjugado induzido em máquinas CA

56 Conjugado induzido em máquinas CA

57 Conjugado induzido em máquinas CA

58 Conjugado induzido em máquinas CA

59 Conjugado induzido em máquinas CA

60 Máquinas CA considerações sobre isolamento Para se evitar o rompimento da isolação do enrolamento, como resultado de sobreaquecimento, torna-se necessário controlar a temperatura de operação da máquina elétrica. Isso pode ser feito através do provimento de circulação de ar para refrigeração e, também, através do controle da máxima potência de operação da máquina elétrica.

61 Máquinas CA eficiência

62 Máquinas CA perdas

63 Máquinas CA perdas

64 Máquinas CA perdas

65 Máquinas CA diagrama de fluxo de potência

66 FIM