Máquinas Elétricas. Introdução Parte III

Transcrição

1 Máquinas Elétricas Introdução Parte III

2 Conversão eletromecânica de energia A energia é convertida para a forma elétrica por ser fácil a transmissão e o processamento. Raramente a energia será utilizada na forma elétrica.

3 Conversão eletromecânica de energia A conversão eletromecânica de energia envolve a troca de energia entre um sistema elétrico e um sistema mecânico através de um campo magnético de acoplamento. Durante este processo de troca de energia, alguma parcela desta é perdida na forma de calor (aquecimento).

4 Conversão eletromecânica de energia Os mesmos princípios fundamentais formam a base da operação tanto de máquinas CC como CA. As formas finais das equações de torque, por exemplo, são diferentes para os dois tipos de máquinas porque os detalhes de construção diferem. Em outras palavras, partindo dos mesmos princípios básicos para produção de torque eletromagnético, as formas finais das equações do torque vão diferir na medida em que os detalhes mecânicos diferem.

5 Conversão eletromecânica de energia O princípio da conservação de energia afirma que esta não é criada nem destruída, apenas muda de forma. Este princípio constitui uma ferramenta conveniente para determinar as características do acoplamento eletromecânico. É também necessário ter em atenção às leis dos campos e/ou circuitos elétricos e magnéticos à mecânica clássica.

6 Conversão eletromecânica de energia Como as frequências e velocidades são relativamente baixas se comparadas com a velocidade da luz, pode-se admitir a presença de regimes em que os campos são quase estacionários, sendo a radiação eletromagnética desprezível. Assim, a conversão eletromecânica de energia envolve energia em quatro formas e o princípio de conservação de energia leva à seguinte relação entre essas formas: Esta equação é aplicável a todos os dispositivos de conversão. Está escrita na convenção motor.

7 Conversão eletromecânica de energia No caso de uma operação como gerador, podemos ajustar a relação anterior para a forma seguinte:

8 Conversão eletromecânica de energia Existem três causas associadas à conversão irreversível de energia a se destacar: 1. Perdas por efeito de Joule nas resistências dos enrolamentos que constituem parte dos dispositivos. 2. Perdas mecânicas: parte da potência mecânica desenvolvida pelo dispositivo é absorvida no atrito e ventilação e, então, convertida em calor. 3. Perdas magnéticas (em dispositivos magnéticos) ou dielétricas (em dispositivos elétricos). Estas perdas estão associadas ao campo de acoplamento. Nos dispositivos magnéticos, caso da presente disciplina, as perdas magnéticas são devidas às correntes de Foucault e à histerese magnética.

9 Conversão eletromecânica de energia Se as perdas de energia no sistema elétrico, no sistema mecânico e no campo de acoplamento são agrupadas com os termos correspondentes, o balanço de energia pode ser reescrito conforme relação:

10 Conversão eletromecânica de energia A energia elétrica líquida de entrada dw liq ao dispositivo de acoplamento, depois que as perdas resistivas foram levadas em conta pode ser obtida conforme abaixo.

11 Conversão eletromecânica de energia Para que o dispositivo de acoplamento possa absorver energia do circuito elétrico, o campo de acoplamento deve produzir uma reação sobre o circuito. Essa reação é a fem indicada por e na figura (tensão induzida pelo campo magnético).

12 Conversão eletromecânica de energia A reação sobre a entrada é uma parte essencial do processo de transferência de energia entre o circuito elétrico e outro circuito qualquer. O campo de acoplamento pode ser assemelhado a um reservatório de energia, fornecendo energia ao sistema de saída e sendo reabastecido pelo sistema de entrada através da reação de campo. Para que as tensões se equilibrem, a fem deve ser: e v i ir

13 Conversão eletromecânica de energia e v i ir Assim, temos: dw ele ( v ir) idt i dw ele eidt

14 Conversão eletromecânica de energia dw ele eidt Se a energia elétrica for suprida ao campo de acoplamento por mais do que um circuito, a entrada total de energia elétrica será a soma dos termos. A energia elétrica de entrada difere da energia mecânica útil pelas perdas por atrito e ventilação do sistema mecânico que, embora sempre presentes, não representam partes importantes no processo de conversão de energia.

15 Conversão eletromecânica de energia Na relação acima, o primeiro termo está associado à energia passível de ser convertida em energia mecânica. Essa é a energia associada ao campo de acoplamento. A energia mecânica útil será o primeiro termo menos a energia perdida devido o atrito e ventilação.

16 Conversão eletromecânica de energia dw ele eidt Em forma diferencial, podemos escrever que a energia elétrica diferencial líquida de entrada (dw ele ) é igual à soma da energia diferencial convertida em forma mecânica (dw mec ) e da energia diferencial absorvida pelo campo de acoplamento (dw cmp ). dw ele eidt dw cmp dw mec

17 Conversão eletromecânica de energia Podemos considerar como grandezas fundamentais: sistema mecânico: o torque e a velocidade (respectivamente, T e ω n na figura). sistema elétrico: a fem induzida e a corrente elétrica (respectivamente, e e i na figura).

18 Conversão eletromecânica de energia MOTOR Em um motor, fazemos uma corrente i percorrer um condutor colocado em uma região em que temos um campo magnético. A estrutura que suporta este condutor está livre para girar e é construída de tal forma a otimizar o efeito do torque (conjugado). O aparecimento da ação motora está associado, além do torque, ao aparecimento de uma fem induzida (algo parecido com o que ocorre em transformadores).

19 Conversão eletromecânica de energia GERADOR Em um gerador, o elemento que gira (rotor) é acionado por uma força motriz que causa o aparecimento de uma fem induzida nos terminais do enrolamento de armadura. Caso uma carga seja conectada aos terminais da armadura, através da corrente elétrica, podemos fornecer energia à mesma. Porém, com essa corrente, haverá o surgimento de um torque de reação sobre o rotor (oposto ao associado à força motriz).

20 Conversão eletromecânica de energia F = i റl B τ = r F

21 Um exemplo simples

22 Um exemplo simples

23 Um exemplo simples

24 Um exemplo simples

25 Um exemplo simples

26 Um exemplo simples

27 Um exemplo simples

28 Um exemplo simples

29 Um exemplo simples

30 Um exemplo simples

31 Exercício

32 Exercício

33 Exercício

34 Exercício

35 FIM