SEL 329 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA. Aula 12

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1 SEL 329 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Aul 12

2 Aul de Hoje Introdução à máquin de corrente contínu Produção de conjugdo n máquin CC Ação do comutdor Tensão gerd n rmdur

3 Conversão Eletromecânic de Energi Dois fenômenos eletromgnéticos ocorrem no processo de conversão de energi, sej em motores ou gerdores, sejm s máquins CA ou CC, síncrons ou ssíncrons: EFEITO I - Tensão de Velocidde: qundo um condutor imerso em um cmpo mgnético é colocdo em movimento, surge um tensão induzid em seus terminis; e Blv

4 Conversão Eletromecânic de Energi EFEITO II Forç Eletromgnétic: qundo um condutor, trvessdo por corrente elétric, é imerso em um cmpo mgnético, surge sobre o condutor um forç mecânic; F Bil (Forç de Lorentz)

5 Conversão Eletromecânic de Energi Os dois processos ocorrem simultnemente em qulquer processo de conversão eletromecânic de energi: Como MOTOR: Ocorrem os efeitos I e II, ms o efeito II é o principl; 1. Os condutores imersos em cmpo mgnético são limentdos com corrente contínu; 2. Um forç eletromgnétic surge em cd condutor, tirndo o sistem mecânico do equilíbrio (EFEITO II); 3. Se os condutores forem posiciondos em um estrutur livre pr girr, esse desequilíbrio será elimindo nturlmente, e o eixo encontrrá um velocidde de regime. Tem-se então produção de torque eletromgnético T um velocidde n, pr limentr um crg mecânic; 4. Se os condutores girm imersos em cmpo mgnético, surgirá um tensão induzid em seus terminis (EFEITO I), denomind forç contr eletromotriz, e que terá um impcto no torque e velocidde finl de equilíbrio.

6 Conversão Eletromecânic de Energi Como GERADOR: Ocorrem os dois fenômenos, ms o efeito I é o principl; 1. A prte girnte (rotor) é colocd em movimento por um máquin primári; 2. Os condutores gregdos o rotor girm imersos em um cmpo mgnético; 3. Um tensão induzid e surgirá nos terminis dos condutores (EFEITO I); 4. Se os terminis dos condutores limentm um crg elétric surgirá um corrente i, fornecid pelo gerdor elétrico; 5. Os condutores trnsportndo corrente e imersos em um cmpo mgnético estrão sujeitos um forç eletromecânic (EFEITO II), resultndo em um torque eletromecânico de reção, ou torque resistente o torque fornecido pel máquin primári, fetndo tmbém tensão e corrente de equilíbrio do sistem.

7 Conversão Eletromecânic de Energi Conclusões: Os efeitos I e II ocorrem nos dois csos; O cmpo mgnético é fundmentl pr produção do torque (motor) e d tensão induzid (gerdor), servindo de interfce entre os sistems elétrico e mecânico.

8 Estrutur Básic ds Máquins Elétrics Rottivs Esttor e rotor seprdos por um entreferro; 1. Esttor é prte fix d máquin 2. Rotor é prte móvel O esttor e o rotor são constituídos por lâmins de mteril ferromgnético; VANTAGENS: Lminção: reduz correntes prsits no rotor e esttor, umentndo resistênci elétric (melhori do rendimento); Mteril Ferromgnético: Aument densidde de fluxo mgnético n máquin (lt permebilidde); Diminui o tmnho d máquin; Diminui dispersão de fluxo mgnético;

9 Estrutur Básic ds Máquins Elétrics Rottivs Máquins elétrics usulmente têm dois enrolmentos: Enrolmento de cmpo: Compõe o eletroímã produtor do cmpo principl d máquin; Enrolmento de rmdur: Contém os condutores que serão imersos no cmpo principl pr produção de tensão (gerdor - induzido) ou torque (motor); Estes enrolmentos são posiciondos em rnhurs loclizds no esttor e no rotor;

10 Máquins CC: Crcterístics Básics O enrolmento de cmpo é colocdo no esttor; O enrolmento de rmdur é colocdo no rotor; Como motor, os dois enrolmentos são limentdos em CC, de diverss mneirs ou configurções: independente, série, prlelo e composto (combinções de série e prlelo); Oferece váris opções pr o controle de velocidde como motor; Como gerdor, o enrolmento de cmpo é limentdo com CC, produzindo um cmpo constnte sobre rmdur

11 Máquins CC: Crcterístics Básics

12 Máquins CC: Aplicções Máquins de Ppel Bobindeirs e desbobindeirs Lmindores Máquins de Impressão Prenss Elevdores Movimentção e Elevção de Crgs Moinhos de rolos Indústri de Borrch Trção elétric

13 Máquins CC O esttor tem pólos excitdos por um ou mis enrolmentos (série e shunt/prlelo/em derivção); O enrolmento de cmpo produz um distribuição de fluxo simétric em relção o eixo dos pólos do esttor (eixo direto, ou eixo d). Eixo em qudrtur ou Eixo q Eixo direto ou Eixo d

14 Máquins CC Tensão Intern Um dd seção do condutor (l) or cruz o pólo norte do esttor, or o pólo sul, estndo sujeito cmpo mgnético vriável; A Tensão induzid totl por um pr de espirs oposts será: e b Blv + Blv 2Blv Como B é lterndo e b tmbém será N extremidde dos polos o fluxo mgnético diminui devido o umento do entreferro;

15 Máquins CC Tensão Intern A tensão induzid pode ser umentd usndo múltipls espirs pr formr um bobin; Um conjunto de bobins ligds em série e colocds em diferentes rnhurs do rotor, form o enrolmento de rmdur d máquin CC;

16 Máquins CC Tensão Intern com Ação do Comutdor Os dois néis são substituídos por dois segmentos comutdores isoldos; O terminl sob o pólo norte sempre terá polridde positiv em relção o terminl do pólo sul, e tensão totl induzid nos terminis do gerdor será unidirecionl (CC); A tensão gerd tem lt quntidde de ripple, o que é minimizdo em máquins reis usndo um número mior de bobins, posicionds em rnhurs o longo do rotor e colocds em série trvés dos segmentos comutdores.

17 Máquins CC Comutdor O comutdor tmbém é fundmentl pr o funcionmento d máquin CC como motor, um vez que o torque surge devido à busc de linhmento entre os cmpos do rotor e do esttor; O comutdor vri continumente orientção do cmpo produzido pel rmdur, não permitindo que os dois cmpos se linhem e que o torque sej nulo. Video Motor CC

18 Máquins CC Comutdor Um máquin CC rel pode ser considerd como um dispositivo com entreferro prticmente constnte. Assim, os torques de relutânci podem ser desprezdos. Então: T i 2 s 2 dl ss dθ + i 2 r 2 dl rr dθ + i s i r dl sr dθ i s i r dl sr dθ D estrutur d máquin CC, pode-se considerr que indutânci mútu é proporcionl cos(θ), visto que o máximo coplmento se dá qundo os cmpos mgnéticos estiverem perfeitmente linhdos, ou sej, θ 0 o. Logo: Portnto: L sr ( θ ) M cos( θ ) T i s i r Msen(θ )

19 Máquins CC Comutdor T i s i r Msen(θ ) O torque eletromgnético máximo ocorre qundo θ 90 º, ou sej, qundo os dois enrolmentos tiverem seus eixos mgnéticos defsdos de 90 º. Assim, é desejável que MCC opere sempre ns condições de torque máximo. Isso é conseguido por meio de comutção dequd. O sinl negtivo d fórmul do torque indic tendênci de linhmento entre os cmpos mgnéticos do esttor e do rotor.

20 Máquins CC Comutdor A comutção deve ocorrer no eixo centrl, entre os pólos d rmdur (zon neutr ou linh mgnétic neutr), de form que o cmpo produzido n rmdur estej em qudrtur (no eixo q) com o cmpo produzido no esttor, mximizndo produção de torque. Além disso, ness posição comutção é suve (sem físcs e com perds mínims), um vez que o cmpo é nulo, e tmbém tensão induzid (situção idel);

21 Máquins CC No. de Pólos Máquins CC podem ter mis de 2 pólos no esttor; A vntgem é que mior prte dos condutores d rmdur estrá sujeit cmpo mgnético elevdo; A desvntgem é que zon neutr no entreferro diminui, dificultndo comutção suve.

22 Máquins CC No. de Pólos Pr um máquin com 4 pólos, durnte um ciclo mecânico (360 o mecânicos), um condutor d rmdur pssrá por pólos norte-sul-norte-sul, resultndo em dois ciclos elétricos (720 o elétricos) ; Assim, pode-se definir: θ m - ângulo mecânico (no espço) θ e - ângulo elétrico (ciclos do cmpo ou d tensão induzid) p - número de pólos d máquin Relciondos por:

23 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur As espirs podem ser interligds de muits mneirs, sendo s mis comuns o enrolmento onduldo e enrolmento imbricdo; Enrolmento imbricdo (lp winding): o número de cminhos prlelos é sempre igul o número de pólos; o número de escovs é sempre igul o número de pólos.

24 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur Enrolmento imbricdo (lp winding):

25 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur Enrolmento imbricdo: espirs em curto-circuito

26 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur Enrolmento onduldo (wve winding): o número de cminhos prlelos é igul 2 e independe do número de pólos; exige no mínimo dus escovs;

27 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur Enrolmento onduldo (wve winding):

28 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur Enrolmento onduldo (wve winding): espirs em curto-circuito

29 Máquins CC Conexão dos Enrolmentos d Armdur A corrente de rmdur totl é dividid pelo número de cminhos prlelos. Ou sej, (I /) é que efetivmente circul pelos condutores d rmdur; Por isso, o enrolmento imbricdo, com mior número de cminhos prlelos, é mis utilizdo pr máquins de lt corrente/bix tensão; O enrolmento onduldo é mis dequdo pr máquins de bix corrente/lt tensão.

30 Máquins CC Tensão d Armdur A tensão induzid em 1 espir (2 condutores) d rmdur é dd por: l l e espir 2B( θ ) lv r ω m v ω m r r rio d rmdur ω m velocidde mecânic e espir tensão induzid por espir

31 Máquins CC Tensão d Armdur Sej: Φ fluxo mgnético por polo A áre do polo 2πrl/p 2π r Pólo 1 Pólo 2 Pólo 3 Pólo 4 Pólo 5 Pólo p l A2π rl/p Dí: B( θ ) Φ A Φ 2πrl p Φp 2πrl e ssim... e espir 2B( θ ) lω r m 2 Φp 2πrl lω r m Φp ω π m

32 Máquins CC Tensão d Armdur Pr um enrolmento com cminhos prlelos, somente (1/) do totl de espirs (em série) contribuirá pr tensão totl d rmdur. Sendo N o número totl de espirs, tensão de rmdur E será: E N N Φp eespir ωm ou π E Np π Φω m K Φω m K é definid como constnte d rmdur e é determind pelo projeto do enrolmento; Np Zp K tmbém pode ser dd por : K 2 π Sendo Z2N o número totl de condutores; π

33 Máquins CC Tensão d Armdur E K Φω m A expressão d tensão induzid é válid pr operção como motor ou gerdor; Como motor: define forç contr eletromotriz (tem impcto secundário); Como gerdor: define tensão gerd (principl vriável d máquin)

34 Máquins CC Torque A forç produzid em um condutor d rmdur é dd por: l r l ω m f ou f condutor condutor B( θ ) li I B( θ ) l condutor A corrente que trvess o condutor é corrente de rmdur (I ) dividid pelo número de cminhos prlelos (). i condutor I

35 Máquins CC Torque O torque produzido por um condutor é ddo por: Tem-se: r l l ω m ) ( * r I l B r f T condutor condutor θ rl p B como π θ 2 ) ( Φ I p r I l B T condutor π θ 2 ) ( Φ

36 Máquins CC Torque Todos os condutores do enrolmento de rmdur desenvolvem torque n mesm direção. Assim, o torque totl é ddo por: T Φp I Np 2NTcondutor 2N ΦI ou 2π π T K ΦI

37 Máquins CC Torque T K ΦI A expressão do torque tmbém é válid como motor ou como gerdor: Como motor: represent o torque desenvolvido pr tender crg (principl vriável d máquin); Como gerdor: represent um torque de reção, ou torque resistivo o torque fornecido pel máquin primári (tem impcto secundário);

38 Máquins CC Torque Como motor: potênci elétric de entrd é igul à potênci mecânic trnsferid pr crg (que é retird do cmpo mgnético); P E I K Φω I ( K ΦI )ω Tω elet m m m P mec Como gerdor: potênci mecânic de entrd no eixo é igul à potênci elétric trnsferid pr crg (que é retird do cmpo mgnético); P Tω K ΦI ω ( K Φω ) I E I mec m m m P elet Obs.: considerndo s perds desprezíveis

39 Máquins CC Exemplo Um máquin CC de 4 pólos, tem rmdur com rio de 12,5cm e comprimento de 25cm. Os pólos cobrem 75% d periferi d rmdur (25% de zon neutr). O enrolmento de rmdur consiste de 33 bobins, com 7 espirs cd. As bobins são comodds em 33 rnhurs. A densidde médi de fluxo sob cd pólo é de 0,75T. Considerndo o enrolmento de rmdur do tipo imbricdo, clcule: ) K b) E pr ω m 1000 rpm; c) I condutor pr I 400A e o torque; d) Potênci d máquin;

40 Máquins CC Exemplo p4; r0,125m l0,250m N33bobins*7espirs N231 espirs Z2N462 condutores Pólo 1 Pólo 2 2π r Pólo 3 A2π rl/p Pólo 4 l ) K? Enrolmento imbricdo 4 cminhos prlelos K Zp 2π 462*4 2π *4 73,53 (dimensionl)

41 Máquins CC Exemplo Pólo p4; 1 r0,125m l0,250m N33bobins*7espirs N231 espirs Z2N462 condutores Pólo 2 2π r Pólo 3 A2π rl/p Pólo 4 l A2π *0,125*0,250/4 A49,1*10-3 m 2 A efetiv 0,75*A36,8 *10-3 m 2 b) E pr ω m 1000 rpm 1000 * 2π / ,72 rd/s Φ BA pólo 0,75*36,8*10 3 0,0276 Wb E K Φω m 73,53*0,0276*104,72 212,5 V

42 Máquins CC Exemplo p4; r0,125m l0,250m N33bobins*7espirs N231 espirs Z2N462 condutores Pólo 1 Pólo 2 2π r Pólo 3 A2π rl/p Pólo 4 l c) I condutor pr I 400A e o torque; 4 cminhos prlelos; I condutor I A T K ΦI 73,53*0,0276* ,8 N.m

43 Máquins CC Exemplo p4; r0,125m l0,250m N33bobins*7espirs N231 espirs Z2N462 condutores Pólo 1 Pólo 2 2π r Pólo 3 A2π rl/p Pólo 4 l d) Potênci d máquin; P EI 212,5* kW 114HP

44 Máquins CC Exercício Repetir o exemplo nterior considerndo enrolmento onduldo

45 Próxim Aul Curv de mgnetizção Clssificção ds máquins CC Gerdores CC