AULAS UNIDADE 1 MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS (MAE) Prof. Ademir Nied

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1 Universidade do Estado de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Curso de Graduação em Engenharia Elétrica AULAS 01-0 UNIDADE 1 MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS (MAE) Prof. Ademir Nied ademir.nied@udesc.br

2 Unidade 1 - Introdução às Máquinas Elétricas Rotativas Conceitos preliminares Introdução às máquinas CA e CC Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos concentrados e de enrolamentos distribuídos Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em enrolamentos concentrados e em enrolamentos distribuídos Torque eletromagnético Perdas

3 Unidade 1 - Aulas MAE Energia primária Usina (conversão) Transmissão e Distribuição Eletrônica de Potência Uso Final (conversão) Fossil Nuclear Solar Solar(PV) Acionamentos Elétricos Industriais Térmica Mecânica Elétrica Elétrica Mecânica 60% Hidro Eólica Elétrica Térmica Química Vantagens da conversão elétrica: Geração com alta eficiência; Transporte com baixas perdas, distribuição simples e custo aceitável; Conversão: facilidade e flexibilidade 3

4 Unidade 1 - Aulas MAE Conceitos de Energia e Potência: Força ϕ Trabalho: W = F..cos( ϕ) Unidade: 1 J (Joule) = 1 N.m Energia: Capacidade de realizar trabalho unidades: 1 J (Joule) = 1 W.s (Watt.segundo) Energia elétrica: unidades: 1 kwh (quilowatt-hora) = 3, J (Joules) Energia mecânica: energia cinética energia potencial Energia térmica: E E cin pot 1 = mv = I. w ; I = Momento de Inércia; = mgh unidades: 1 cal (caloria) = 4,186 J (Joules) 1 BTU (unidade térmica inglesa) = 1, J (Joules) 1 4

5 Unidade 1 - Aulas MAE Potência: taxa de variação do trabalho executado ; unidades: 1 W (Watt) = 1 J/s (Joule/segundo); outras unidades: 1 hp (horse-power) = 745,7 W; Potência elétrica: Potência ativa (P): é a taxa de variação da energia elétrica (W ou kw ou MW); Potência reativa (Q): está associada a energias armazenadas em campos elétricos ou magnéticos. Não realiza trabalho!!!!!!! (VAr ou kvar ou MVAr); Potência aparente (S): é o efeito combinado da circulação de potência ativa e de potência reativa em um circuito elétrico (VA ou kva ou MVA); Sistemas Monofásicos Sistemas Trifásicos S = P S = V + Q P = V.cos ϕ Q = V.sen ϕ S = S = P Q = = P 3.V 3.V 3.V + Q = P W = t 3.V E = t cosϕ = 3.V sen ϕ = 3.V cos ϕ sen ϕ 5

6 Unidade 1 - Aulas MAE Princípios do Estudo dos Dispositivos de Conversão Eletromecânica da Energia: Teoria de Campos Teoria eletromagnética Parâmetros distribuídos Distribuição espacial de campos Teoria de Circuitos Equações de circuitos elétricos Parâmetros concentrados Circuitos acoplados Princípios da Produção de Força (Conjugado) em Máquinas Elétricas: Campos magnéticos Campos elétricos W mag 1 B = = 39,8.10 J/m W ele = ε 0. E = 39,8 µ J/m 0 Interação entre campos Interação entre campo e material Efeito magnetostricção Efeito piezoelétrico 3 6

7 Unidade 1 - Aulas MAE Histórico: 180: descoberta do efeito magnético da corrente elétrica (Oersted) 1831: descoberta da indução magnética por Faraday 1864: Maxwell estabelece as bases da teoria eletromagnética 1890: as principais formas de máquinas elétricas são inventadas e o período até 1950 se caracteriza por intensa pesquisa industrial Estruturas atuais de máquinas elétricas: - máquinas síncronas: geração de energia elétrica - máquinas síncronas de ímãs permanentes: servomotores - máquinas assíncronas ou de indução: emprego amplo como motores - máquinas c.c.: uso como motor em acionamentos de alto desempenho - motores monofásicos a comutador: eletrodomésticos - motores de passo: como servoacionadores - outras estruturas especiais: lineares, relutância chaveada, etc. 7

8 Unidade 1 - Aulas MAE Tanto geradores como motores usam a interação entre condutores em movimento e campos magnéticos (ou vice-versa) GERADORES convertem energia mecânica em energia elétrica produzindo correntes em condutores que giram através de um campo magnético MOTORES convertem energia elétrica em energia mecânica quando condutores que conduzem corrente são obrigados a girar por um campo magnético Assim, desde que haja movimento relativo entre condutor e campo magnético há produção de eletricidade A tensão obtida é conhecida como tensão induzida ou f.e.m. induzida e o processo para obtê-la é chamado indução 8

9 Unidade 1 - Aulas MAE dφ e = N (V ) dt φ = µhs µ = permeabilidade magnética do meio H = intensidade de campo S = secção da bobina 9

10 Unidade 1 - Aulas MAE φ = µ HS cosα φ = Φcosα φ = Φcos wt e = NΦwsen wt = Emáxsen wt = Emáxcos( wt π ) E =, 44NfΦ 4 (valor eficaz) Portanto, o valor da tensão induzida depende dos seguintes fatores: Velocidade do condutor no campo magnético Intensidade do campo magnético Número de espiras 10

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