Introdução às máquinas CA

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1 Introdução às máquinas CA Assim como as máquinas CC, o princípio de funcionamento de máquinas CA é advindo, principalmente, do eletromagnetismo: Um fio condutor de corrente, na presença de um campo magnético, tem uma força induzida nele (fundamento da ação do motor) Um fio movendo-se na presença de um campo magnético tem uma tensão induzida nele (fundamento da ação do gerador) Geradores CA produzem potencial elétrico em seus terminais de saída devido ao movimento de bobinas enroladas em seus rotores dentro de um campo magnético (tensão induzida) Motores CA um campo magnético girante no estator obriga o rotor energizado a girar, devido à tendência natural de alinhamento entre campos magnéticos (força induzida)

2 Geradores CA

3 Geradores em CA O valor da tensão gerada por um gerador CA depende da intensidade do campo e da velocidade do rotor. Como a maioria dos geradores funciona com velocidade constante (geradores síncronos), o valor da tensão gerada é controlado através da excitação do campo A freqüência da tensão depende do número de polos do campo e da velocidade do rotor, como mostra a equação abaixo: p. n f = 120 f - freqüência da tensão gerada [Hz] p - número total de pólos da máquina n - velocidade do rotor [rpm] Se p = 2, a cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada. Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Os geradores da usina hidrelétrica de Itaipu possuem 78 polos e giram a uma velocidade de 92,3 rpm Ex1 Calcule a velocidade necessária no rotor de um gerador de 42 polos para que possa operar no Brasil (60 Hz).

4 Geradores em CA A regulação de tensão de um gerador CA representa o aumento percentual na amplitude da tensão no terminal à medida que a carga vai diminuindo da corrente especificada Regular a tensão de saída é importante pois a carga alimentada por geradores varia ao longo do dia. Para bom funcionamento do sistema, é preciso manter as condições de operação das máquinas A regulação de tensão é feita externamente à maquina, hoje em dia por meio de circuitos eletrônicos que controlam os parâmetros de saída do gerador RT = V vazio V carga máx V carga máx Ex 2 Um gerador sem carga opera com uma tensão de 120 V. Quando se impõe uma carga ao mesmo, sua tensão de saída é reduzida para 115 V. Calcule sua regulação de tensão sabendo que sua corrente de campo não é alterada

5 Geradores CA

6 Geradores em CA Exercício 1 - Um gerador fornece 3,41 A em 230 V, 60 Hz e fator de potência de 0,9. Sabendo que absorve uma potência mecânica de 1050 W, calcule: a) A potência útil b) A potência de perdas c) O rendimento d) a velocidade do gerador se ele possuir 2 polos e) a velocidade do gerador, se ele possuir 12 polos Exercício 2 Uma turbina de uma usina térmica fornece uma potência elétrica de 3 kw ao absorver uma potência mecânica de 3,5 kw. Sabendo que a tensão nos seus terminais é de 230 V, calcule: a) A intensidade da corrente fornecida pelo gerador b) O rendimento do gerador. c) A potência de perdas. Explique as possíveis perdas nessa máquina d) A energia elétrica fornecida durante 3 horas

7 Motores CA Compressores, ventiladores, exaustores e bombas (água e óleo) são exemplos de aplicações para transporte de fluidos Tornos, fresas, prensas, lixadeiras, extrusoras e injetoras são exemplos de aplicações para processamento de materiais Elevadores, pontes rolantes, esteiras, guindastes, talhas, trens e carros elétricos são exemplos de aplicações para a manipulação e o transporte de carga Estima-se que 40% do consumo de energia no Brasil seja para alimentar motores elétricos Os motores CA apresentam características excelentes para a operação a velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela frequência da rede de alimentação e o número de polos do motor. Existem também motores CA cuja velocidade pode ser variada dentro de certos limites

8 Motores CA campo magnético girante Um campo magnético é criado quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica e a orientação do mesmo será conforme o eixo da bobina, sua amplitude será proporcional à corrente aplicada Um enrolamento trifásico é formado por três enrolamentos monofásicos deslocados angularmente entre si em 120º Alimentando o equipamento com um sistema trifásico de correntes I1, I2 e I3, cada uma das correntes criará seu campo magnético H1, H2 e H3, que por sua vez também serão deslocados angularmente entre si em 120º

9 Motores de indução CA - funcionamento

10 Motor de indução CA - funcionamento O estator está ligado à fonte de alimentação CA. O rotor não está ligado eletricamente a nenhuma fonte de alimentação. Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação trifásica, cria-se nele um campo magnético girante. À medida que o campo varre os condutores do rotor, é induzida uma força eletromotriz nesses condutores, ocasionando o aparecimento de uma corrente elétrica nos condutores do rotor Os condutores do rotor, percorridos por corrente elétrica, interagem com o campo magnético girante do estator para produzir um torque eletromagnético que atua sobre os condutores do rotor fazendo-o girar. Entretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor não consegue se alinhar com ele. A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade síncrona (velocidade do campo girante)

11 Motor de indução CA equações Velocidade síncrona velocidade do campo magnético girante n s = 120.f p Escorregamento diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona, que deve ser um pouco menor do que a síncrona S % = n s n n s Frequência do rotor: f R = S. f Torque de partida: T p = k. φ. I R. cosθ R [Nm] Torque nominal: T N = 2π. P 60 n Onde: n s - velocidade síncrona do campo magnético, em rpm f frequência da rede de alimentação, em Hz p número de pólos da máquina, P potência nominal da máquina S escorregamento percentual n velocidade de funcionamento do motor, em rpm f R - frequência da corrente induzida no rotor, em Hz k constante da máquina; I R - corrente do rotor, em A φ fluxo do campo girante, em Wb; cosθ R - fator de potência do rotor

12 Motor de indução CA Exercícios 1. Qual a velocidade síncrona de um motor de indução CA que possui 8 polos, operando em uma rede no Paraguai (50 Hz)? 2. Sabendo que esse motor paraguaio possui escorregamento de 2%, qual sua velocidade de operação, em rpm? 3. Ainda sobre o mesmo motor paraguaio, que opera em uma rede de 220 V de tensão de linha, suponha que ele possua uma constante de máquina k = 1,56. Sabe-se que a resistência equivalente das bobinas do estator é de 0,5 ohm. a) Qual o torque de partida do motor, se o fator de potência do rotor for de 0,9 e o fluxo magnético de 2 Wb? b) Qual a potência do motor, lembrando que trata-se de um equipamento trifásico? c) Qual o torque nominal do motor?