Máquinas Eléctricas I

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1 I Generalidades Luis Pestana

2 Índice Generalidades Gerador de corrente contínua Principio de funcionamento Fem gerada Melhoria de forma de onda Reacção do induzido Comutação Formas de excitação Exc. Separada, Shunt, Série, Compound Curvas Caracteristicas aplicações Motor de corrente continua Equações de funcionamento Motor Shunt Motor Série Motor compound Arranque e Frenagem Controlo de velocidade

3 DEFINIÇÕES ESSENCIAIS Regime: conjunto de características eléctricas e mecânicas que identificam o funcionamento de uma máquina rotativa em determinado instante. Regime nominal: conjunto de condições de funcionamento para as quais a máquina foi construída; compreende a tensão, a potência útil, a classe de serviço em que irá trabalhar, a intensidade de corrente admissível, o factor de potência, a velocidade, etc. Valor nominal de uma grandeza: valor numérico da grandeza quando em Regime Nominal.

4 DEFINIÇÕES ESSENCIAIS Potência nominal: é a potência que a máquina pode desenvolver, quando as restantes condições são as nominais, sem que os diversos órgãos ultrapassem os correspondentes limites de temperatura. Velocidade nominal: é a velocidade (r.p.m.) do motor à potência nominal, sob tensão e frequência nominais. Serviço Nominal: conjunto de valores numéricos dos geradores e motores eléctricos, numa ordem de sucessão no tempo, atribuídos à máquina na placa de características e que cumprem com as condições especificadas. A duração pode ser indicada como um termo de classificação.

5 DEFINIÇÕES ESSENCIAIS Potência absorvida: A que é entregue ao eixo nos geradores, aos bornes nos motores e aos bornes primários nos transformadores. Potência útil: A disponível nos bornes dos geradores, ou no eixo dos motores ou nos bornes secundários dos transformadores. Rendimento: relação entre a potencia útil e a potência absorvida. Rendimento = potência ú til potência a bsorvida = η

6 CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO REGIMES DE SERVIÇO O MAIS IMPORTANTES: Regime S1: Regime contínuo tn Carga Perdas Elétricas Temperatura θ máx Tempo

7 CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO REGIMES DE SERVIÇO O MAIS IMPORTANTES: Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um período inferior ao tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico. tn Carga Perdas Elétricas Temperatura θ máx S2 60 min S2 30 min Tempo

8 CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO REGIMES DE SERVIÇO O MAIS IMPORTANTES: Regime S3: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período a carga constante e um período de repouso. O ciclo é tal que a corrente de arranque não altera significativamente a elevação de temperatura. Duração do ciclo - DC tn tr Carga Perdas Elétricas Temperatura θ máx S3 25% DC S3 40% DC Tempo

9 CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO REGIMES DE SERVIÇO O MAIS IMPORTANTES: Regime S4: Sequência de ciclos idênticos, sendo um período de arranque, um período com carga constante e um período de repouso. O calor gerado no arranque é suficientemente grande para afectar o ciclo seguinte. Duração do ciclo Carga td tn tr S4 40% DC Perdas Elétricas Temperatura θ máx Tempo

10 CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE PEQUENA INÉRCIA : P (cv) P4 P1 P2 P3 Pn t1 t2 t3 t4 tn t (s) Peq = P 2 1.t t P + t 2 n n.t n

11 CHAPA DE CARACTERÍSTICAS

12 COMPONENTES DE UM ACCIONAMENTO Alimentação eléctrica Protecção/ Comando eléctrico Motor Acoplamento mecânico Mecanismo impulsionado Energia mecânica sob a forma de movimento rotativo, caracterizado por binário e velocidade Energia eléctrica sob a forma de tensão e corrente

13 RENDIMENTO Rendimento = potência ú til potência a bsorvida = η η = P P u a x100 = Pa P a p x100 = rendimento expresso em Percentagem (%) Pa = potencia absorvida (eléctrica) em Watt (W) Pu = potencia útil (mecânica) em Watt (W) P = potencia de perdas, em Watt (W) = 1 P u p + p x100 Bomba hidráulica accionada por motor eléctrico

14 BINÁRIO, POTÊNCIA E ENERGIA TRABALHO e POTÊNCIA: E = P t [Wh, kwh, J] P = Trabalho Tempo = F d t [W] BINÁRIO, Torque, Par (Couple), Conjugado ou MOMENTO de 1 força: T = F. b = Força x braço [ Nm ]

15 CLASSES DE ISOLAMENTO Temperaturas máximas admissíveis classe F : 155 C classe B : 130 C classe H : 180 C A utilização de isolantes de classe F em máquinas de classe B dá uma margem térmica de 25ºC, permitindo operar : em sobrecarga por curtos períodos de tempo, a temperaturas ou altitudes superiores com uma maior tolerância ao nível da tensão e frequência Permite também aumentar a vida útil do isolamento Uma redução de 10ºC permitirá duplicar a vida útil do isolante

16 CLASSES DE ISOLAMENTO COMPOSIÇÃO DA TEMPERATURA EM FUNÇÃO DA CLASSE DE ISOLAMENTO: Classe de Isolamento - A E B F H Temperatura Ambiente ºC T = Elevação de Temperatura K ( método da resistência ) Diferença entre o ponto mais ºC quente e a temperatura média Total: Temperatura do ponto ºC mais quente

17 FACTORES DE CORRECÇÃO Os motores são projectados para operar a uma Temperatura Ambiente máxima de 40ºC e uma altitude de 1000 m acima do nível médio das águas do mar. Se o motor operar a temperaturas superiores, deve ser desclassificado ( derated ) de acordo com a tabela acima. Quando um motor é desclassificado, os correspondentes valores de catálogo, tais como In,

18 VIDA ÚTIL (Tempo de Vida) O tempo de vida dos equipamentos eléctricos é limitado pela temperatura do isolamento maior a temperatura => menor Tv. diminui para metade por cada aumento de 10ºC na temperatura. Ex: um motor terá um Tv de 8 anos a uma temp. de 105ºC, 4 anos a 115ºC, 2 anos a 125ºC, 1 ano a 135ºC!!!! Factores que contribuem para o envelhecimento dos isolantes: calor, tempo, químicos, poeiras, etc.

19 CÓDIGOS DE REFRIGERAÇÃO (MOTORES)

20 FORMAS CONSTRUTIVAS NORMALIZADAS MONTAGEM HORIZONTAL

21 ÍNDICE DE PROTECÇÃO (IP) O Índice de Protecção IP, define a protecção da caixa do equipamento. O primeiro número define a dimensão máxima do corpo que pode penetrar na caixa, o segundo define o comportamento em relação a líquidos, e o terceiro número (raras vezes usado), a energia de impacto. Primeiro digito protecção contra contactos directos e entrada de corpos externos Segundo dígito protecção contra a penetração de líquidos: 1.º ALGARISMO 0 - sem protecção 1 - contra corpos superiores a 50 mm (ex. contacto involuntário da mão); 2 - contra corpos superiores a 12 mm (ex. dedo da mão); 3 - contra corpos superiores a 2.5 mm (ex. ferramentas, «clips», ganchos de cabelo); 4 - contra corpos superiores a 1 mm (ex. fios pequenos) 5 - contra depósito de poeiras nocivas; 6 - protecção total contra depósitos de poeira. 2.º ALGARISMO 0 - não tem 1 - contra a queda vertical de gotas de água (condensação); 2 - contra a queda de gotas até 15 em relação à vertical 3 - contra a queda de gotas até 60 em relação à vertical (chuva); 4 - contra as projecções de água em todas as direcções 5 - contra as projecções de água a alta pressão em todas as direcções 6 - contra as projecções de água equivalentes a uma vaga; 7 - contra a imersão 8 - equipamento submersível, em condições acordadas

22 CLASSIFICAÇÃO DE MOTORES CLASSIFICAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS: GAIOLA DE ESQUILO SPLIT - PHASE CAP. PARTIDA ASSÍNCRONO CAP. PERMANENTE MOTOR C.A. MONOFÁSICO UNIVERSAL SÍNCRONO ROTOR BOBINADO CAP. 2 VALORES PÓLOS SOMBREADOS REPULSÃO ASSÍNCRONO RELUTÂNCIA TRIFÁSICO HISTERESE SÍNCRONO DE GAIOLA MOTOR C.C. EXCITAÇÃO SÉRIE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE EXCITAÇÃO COMPOUND IMÃ PERMANENTE DE ANÉIS IMÃ PERMANENTE PÓLOS SALIENTES PÓLOS LISOS

23 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Máquinas de corrente contínua

24 GERADOR ELEMENTAR

25 GERADOR ELEMENTAR

26 Regra da Mão Direita e = Blv F = Bli

27 Bornes das Máquinas de Corrente Contínua Nomenclatura a utilizar nos enrolamentos de máquinas de corrente continua segundo a norma CEI Induzido Pólos auxiliares ou de comutação Enrolamento de compensação Indutor série A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 Indutor paralelo E1 E2

28 GERADOR DC

29 PRODUÇÃO DE FEM ALTERNADA A fem induzida é por natureza alternada, só ficando continua após rectificação Gerador elementar AC (alternador) consistindo numa espira no rótor e 1 par de pólos no estátor 1 par de anéis deslizantes onde encostam 2 escovas estacionárias permite um circuito fechado de corrente para o exterior Pode-se ligar uma carga entre as escovas

30 Diferenças entre Dínamos e Alternadores Os elementos dos Dínamos e Alternadores são semelhantes e montados da mesma forma o principio básico de operação é também o mesmo dado que temos um enrolamento a girar no meio de um campo magnético, e que produz uma fem alternada. As máquinas apenas diferem na forma como os enrolamentos estão ligados ao exterior um alternador utiliza anéis deslizantes um dínamo utiliza um comutador

31 Melhoria da forma de onda

32 Melhoria da forma de onda Ao utilizarmos 4 bobinas, desfasadas fisicamente de 90º(4 ranhuras), e dividindo o comutador em 4 segmentos, melhora-se a forma da onda produzida A tensão varia mas nunca se anula As 4 bobinas são idênticas

33 Melhoria da forma de onda As bobinas A e C (e de igual modo B e D) cortam as linhas de fluxo em sentidos contrários. As polaridades de e a e e c (e b e e d ) são portanto opostas Em todos os instantes temos: e a +e b +e c +e d = 0 o que significa que não temos corrente de circulação no enrolamento A fem captada nas escovas varia entre e a (a 0º- fig. Anterior) e e a + e d (a 45º- posição da figura ao lado)

34 FEM Induzida (E) Aumentando o nºde bobinas e de laminas, a fem E da máquina terá uma ondulação menor (< ripple). A fem induzida em cada condutor e depende da indução B e da velocidade de rotação e = Blv Como a densidade de fluxo cortado varia de ponto para ponto, a fem E depende da posição das bobinas em cada instante

35 Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação Luis Pestana

36 Zonas Neutras São zonas à superfície do rótor onde a Indução é nula Nas zonas neutras, não há fem induzida As espiras são atravessadas por um máximo de fluxo, mas a variação de fluxo a que estão sujeitas é nula. As escovas, pressionam o colector, e quando em contacto com as laminas da uma mesma bobina que passa na zona neutra: curto-circuitam a bobina Mas não há fem induzida na bobina dado que não corta linhas de fluxo (nesse instante). Não há circulação de corrente no curto-circuito bobina-escovas B=0

37 Se as escovas forem colocadas fora das zonas neutras A fem induzida será menor As escovas serão percorridas por elevadas correntes de curto-circuito, causando chispas (faíscas) Zonas Neutras As escovas têm de ser colocadas nas zonas neutras, porque: O curto-circuito ocorre quando a fem induzida nas espiras é nula É nas zonas neutras que se capta + fem

38 Zonas Neutras Em vazio A linha neutra magnética está coincidente com a linha neutra geométrica (a meio caminho entre os pólos) Em carga A reacção do induzido desloca a linha neutra magnética. O deslocamento é função da corrente no rótor

39 Reacção do Induzido

40 Reacção do Induzido Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação

41 A REACÇÃO DO INDUZIDO A reacção do induzido provoca: Saturação magnética em certas zonas Menor indução noutras Em média a Indução B é menor =>Menor fem induzida total

42 EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA fem induzida mais forte em certas zonas de influência dos pólos (fluxo aditivo) do que noutras (fluxos opostos) A fem máxima da máquina deixa de ser na linha neutra geométrica e passa a ser na linha neutra magnética

43 Reacção do induzido Consequências Se a máquina não está saturada (zona linear da curva de magnetização) => A fem não se altera porque o fluxo é constante ( = c. te ) Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada Elevação da tensão em laminas consecutivas do colector junto das zonas dos pólos em que há reforço do campo => chispas no colector Deslocamento da linha neutra: avanço (gerador)/ atraso (motor) => chispas no colector devido a curto-circuito de comutação Solução 1: deslocar as escovas da linha neutra geométrica para a linha neutra real (operação complexa manobra correctiva)

44 Formas de compensação da reacção do induzido Solução 2: neutralizar a reacção do induzido com enrolamentos de compensação Condutores alojados em ranhuras nos pólos e ligados em série com o circuito exterior A corrente circula no enrolamento de compensação em sentido oposto ao induzido provocando um campo de sentido oposto Solução cara e aumenta as perdas no cobre => máquinas de elevada potência Solução 3: Pólos auxiliares de comutação Melhoram a comutação e eliminam o deslocamento da linha neutra São colocados na linha neutra geométrica e ligados em série com o induzido Produzem campo magnético oposto ao do induzido

45 Comutação É a troca de polaridade das espiras (em comutação) relativamente aos terminais da máquina Ocorre no momento em que as escovas tocam em duas laminas consecutivas -> espiras em curto-circuito Há inversão do sentido da corrente nas espiras (passagem das espiras de 1 via ou caminho para a via seguinte). O efeito de auto indução atrasa o processo e provoca: arco eléctrico (má comutação) proporcional à corrente do induzido Deterioração de escovas e laminas do colector Solução: Pólos auxiliares de comutação Induz na espira uma fem contrária à de auto-indução tornando a inversão da corrente + linear => não há arco

46 Tipos de Excitação Magnética Classificação Luis Pestana

47 Excitação de máquinas de Corrente Contínua Tipos de excitação Auto-excitação Excitação Separada Shunt Série Compound Fonte externa Imanes permanentes aditiva Hiper-compound Isso-compound Hipo-compound diferencial

48 Excitação de máquinas de Corrente Contínua

49 Geradores de Excitação Separada Utilizam-se electroímanes em vez de imanes permanentes para criar o campo magnético. É necessária uma fonte externa de alimentação, a que se dá o nome de excitação separada ou independente (baterias ou outro gerador) Rx reostato de campo E 0

50 Geradores de Excitação Separada caracteristica interna (ou de vazio) Gerador em vazio, rótor a velocidade constante É uma medida do acoplamento magnético entre o estátor e o rótor Idêntica à curva de magnetização Histerese Saturação magnética Magnetismo remanescente

51 Geradores de Excitação Separada Aplicações típicas Tacógrafos Tensão proporcional à velocidade de rotação Amplificador (ampli-dínamo) Entrada tensão de excitação, saída tensão do dínamo

52 Característica externa Excitação separada Queda devido à reacção do induzido Queda devido às resistências do induzido e de contacto das escovas com o colector U U=E-r i.i--2u e E força electromotriz induzida U tensão aos terminais r i resistência do induzido u e - queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector queda de tensão devido à reacção do induzido

53 Gerador Shunt Indutor em paralelo com o induzido (auto - excitação) elimina a necessidade de fonte externa. Processo (cumulativo) de auto excitação O fluxo remanescente induz uma pequena fem no induzido enquanto este roda A fem produz uma pequena corrente de excitação (I x na figura) Esta, cria uma fmm e reforça o fluxo remanescente (aumenta) O fluxo aumentado, cria + fem, e logo + corrente A fem cresce até estabilizar limitada pela saturação magnética e pelo valor do reóstato de campo

54 Gerador Shunt Controlo de Tensão Obtém-se por regulação do reóstato de campo Controlo da fem E 0 do gerador Shunt A fem E 0 em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela resistência do circuito indutor

55 Processo Cumulativo da auto - excitação CONDIÇÕES DE EXCITABILIDADE Magnetismo remanescente 1 as correntes induzidas têm de reforçar magnetismo remanescente Ligações (bem efectuadas, não interrompidas) Sentido de rotação Resistência de carga Shunt (> que valor critico) Série (< que valor critico)

56 Gerador Shunt Característica externa Num gerador Shunt a tensão aos terminais cai mais rapidamente que num gerador de excitação separada A corrente de excitação na maq. de exc. Separada permanece constante e independente da carga A corrente de excitação numa máquina shunt é função da tensão aos terminais Cargas crescentes => U baixa => i excitação decresce (i exc decresce com a carga) Para um gerador em auto-excitação, a queda de tensão interna é cerca de 15%, num gerador de excitação separada não chega a 10% da tensão nominal

57 O gerador compound é similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com a utilização de um indutor série. O indutor série é composto por poucas espiras de fio grosso, dado que vai ser percorrido pela corrente do Induzido A resistência do indutor série é assim muito baixa Gerador Compound

58 Gerador Compound Circuito equivalente Em vazio, a corrente no indutor série é zero Apenas o indutor shunt produz fmm e fluxo. Com o aumento de carga A tensão aos terminais desce, mas como agora a corrente de carga atravessa o indutor série: Este produz + fmm e com o mesmo sentido do indutor Shunt. O fluxo aumenta com o aumento de carga

59 Gerador Compound Diferencial No gerador compound diferencial, o campo criado pelo indutor série é de oposição ao do indutor shunt Em carga, a tensão desce drasticamente, relativamente ao valor de vazio Aplicações típicas soldadura Limita a corrente de curto-circuito

60 Comparação de Características Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.

61 Associação de Geradores Em série (para obter + tensão) Em paralelo (para obter + corrente)

62 Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Série O paralelo de Dínamos de tipo série é instável. Para se poder efectuar o paralelo é necessário utilizar uma barra de equilíbrio (compensação) Esta barra tem de ser ligada do lado dos 2 indutores série (ver figura à direita), de modo a que dê um reforço de corrente no indutor, em caso de falha momentanea

63 Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Shunt Internamente Estável Distribuição de carga O de menor queda interna suporta + carga

64 Associação de Geradores Paralelo de Dínamos tipo Compound A associação em paralelo de geradores de tipo compound, pela presença do indutor série, que traz instabilidade ao conjunto, necessita de barra de equilíbrio para se poder pôr a funcionar

65 Motores de Corrente Continua Considerações Gerais Luis Pestana

66 Motores de Corrente Continua Características principais Máquinas versáteis na conversão electromecânica de energia Custos de aquisição e manutenção + elevados do que máquinas equivalentes AC Têm especial aplicação quando se requer uma característica Binário velocidade de qualidade superior e com elevada eficiência numa gama alargada de velocidades.

67 Motores de Corrente Continua Aplicações principais Velocidade variável, no fabrico do aço e do papel, onde a capacidade de controlar a velocidade e o posicionamento são importantes Aplicações em tracção; ex: comboios eléctricos. Momentaneamente operados como geradores para frenagem eléctrica.

68 Motores de Corrente Continua U > E E > U (E) (U) No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador

69 Motores de Corrente Continua Características mecânicas Luis Pestana

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