AULAS UNIDADE 1 DINÂMICA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS (DME) Prof. Ademir Nied ademir.nied@udesc.br

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1 Universidade do Estado de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica AULAS UNIDADE 1 DINÂMICA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS (DME) Prof. Ademir Nied ademir.nied@udesc.br

2 Unidade 1 - Aulas DME Motores c.a.: Monofásicos Indução Rotor gaiola Fase dividida Capacitor de partida Capacitor permanente Capacitor de 2 valores Pólos sombreados Rotor bobinado Repulsão Síncronos Histerese Relutância Trifásicos Indução Rotor gaiola Rotor bobinado Síncronos Imã permanente Pólos salientes Pólos lisos Universais Motores c.c.: Excitação independente Excitação série Excitação composta (aditiva/subtrativa) Imã permanente 2

3 Unidade 1 - Aulas DME Máquinas Síncronas As máquinas síncronas polifásicas compõe-se, essencialmente, de um induzido com enrolamento polifásico, distribuído em ranhuras, excitado com correntes polifásicas e de um indutor com enrolamento que pode ser concentrado em uma única bobina, ou também distribuído, e excitado com corrente contínua 3

4 Unidade 1 - Aulas DME Máquinas Síncronas Fig. 1: Corte esquemático de uma máquina síncrona: a) de induzido fixo e indutor rotativo; b) de induzido rotativo 4

5 Unidade 1 - Aulas DME 5

6 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 2 - Diagrama esquemático de um gerador síncrono, pólos salientes, monofásico, dois pólos 6

7 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 3 - a) Distribuição espacial da densidade de fluxo; b) Onda correspondente da tensão gerada 7

8 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 4 - Diagrama esquemático de um gerador síncrono, de pólos salientes, monofásico, quatro pólos 8

9 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 5 - Distribuição espacial da densidade de fluxo do gerador síncrono de quatro pólos 9

10 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 6 - Enrolamento de campo de um gerador síncrono, de dois pólos lisos (ou cilíndricos) 10

11 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 7 - Diagrama esquemático de geradores trifásicos: a) dois pólos, um enrolamento por fase b) quatro pólos, dois enrolamentos por fase c) conexão estrela dos enrolamentos 11

12 Unidade 1 - Aulas DME Máquinas Assíncronas A diferença fundamental entre a máquina síncrona e assíncrona polifásica, é que esta última possui, tanto no estator quanto no rotor, enrolamentos polifásicos excitados com correntes polifásicas, mesmo que numa das partes essas correntes sejam conseguidas por indução da outra parte. O caso mais comum é o enrolamento do estator ligado a uma fonte de tensão trifásica e o rotor excitado por indução do estator. É comum denominarem-se as partes (estator e rotor) de primário e secundário, por analogia com os transformadores (transformador de rotor girante) 12

13 Unidade 1 - Aulas DME Máquinas Assíncronas Fig. 8 - Corte esquemático de um motor assíncrono de rotor bobinado: a) estator; b) rotor 13

14 Unidade 1 - Aulas DME 14

15 Unidade 1 - Aulas DME Fig. 9 - Curva característica da rotação (porcentagem) versus torque do motor de indução 15

16 Capítulo 2 - INTRODUÇÃO O Motor Assíncrono é também conhecido como Motor de Indução Motor Assíncrono MONOFÁSICO: potências fracionárias ou no máximo até alguns poucos CVs Motor Assíncrono TRIFÁSICO: desde alguns CVs até médias ou grandes potências forma construtiva do rotor: gaiola de esquilo (mais comum) ou bobinado Atualmente, pode-se dizer que o motor assíncrono substitue com vantagens o motor CC nas aplicações onde o controle dinâmico de torque é um requisito fundamental 16

17 Unidade 1 - Aulas DME Caracterização dos dados nominais: nome e/ou marca do fabricante; modelo atribuído pelo fabricante; número de série e/ou código da data de fabricação; denominação principal do equipamento (ex.:"motor de indução"); número de fases; designação da carcaça da máquina, conforme norma utilizada; grau de proteção proporcionado pelo invólucro (IP-XX); classificação térmica (isolação); regime de serviço; potência nominal; tensão(ões) nominal(ais) (diagrama de ligações para máquinas de corrente alternada); frequência nominal (para máquinas de corrente alternada); velocidade de rotação nominal; fator de potência nominal (para máquinas de corrente alternada); categoria (para máquinas de corrente alternada); fator de serviço. 17

18 Universidade do Estado de Santa Catarina Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Mestrado/Doutorado em Engenharia Elétrica CAPÍTULO 1 Introdução - A MÁQUINA SÍNCRONA TRIFÁSICA DINÂMICA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS (CME) Prof. Ademir Nied ademir.nied@udesc.br

19 Características principais das máquinas síncronas: a) máquina de corrente alternada; b) velocidade proporcional à frequência das correntes de armadura (em regime permanente); c) rotor gira em sincronismo com o campo girante de estator rotor bobinado, corrente contínua; d) corrente alternada no estator. 2

20 Principais tipos de máquinas síncronas: a) monofásicas e polifásicas; b) de baixa frequência e de alta frequência; b) bipolares e multipolares; c) de pólos não salientes (lisos) e de pólos salientes; d) de indutor girante e de induzido girante; e) de excitação independente e auto-excitadas. 3

21 Pólos lisos e pólos salientes Alta velocidade; 2 ou 4 pólos Baixa velocidade; muitos pólos 4

22 Exemplo de um estator de uma máquina síncrona: carcaça (acima), estator bobinado (ao lado) 5

23 Exemplo de um rotor de uma máquina síncrona de pólos lisos (acima) e de uma máquina síncrona de pólos salientes (ao lado) 6

24 Diagrama esquemático da excitação independente (esquerda) e auto-excitação (direita) 7

25 Vista em detalhe das escovas e porta escovas usadas na excitação independenta (acima) e da ponte retificadora de diodos usada na autoexcitação (ao lado) 8

26 Diagrama esquemático de um motor síncrono de ímãs permanentes. As setas indicam a direção de magnetização do rotor 9

27 Universidade do Estado de Santa Catarina Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Mestrado/Doutorado em Engenharia Elétrica CAPÍTULO 1 Introdução - O MOTOR ASSÍNCRONO TRIFÁSICO DINÂMICA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS (DME) Prof. Ademir Nied ademir.nied@udesc.br

28 O Motor Assíncrono é também conhecido como Motor de Indução Motor Assíncrono MONOFÁSICO: potências fracionárias ou no máximo até alguns poucos CVs Motor Assíncrono TRIFÁSICO: desde alguns CVs até médias ou grandes potências forma construtiva do rotor: gaiola de esquilo (mais comum) ou bobinado Atualmente, pode-se dizer que o motor assíncrono substitue com vantagens o motor CC nas aplicações onde o controle dinâmico de torque é um requisito fundamental 2

29 1) Carcaça 2) Núcleo de chapas estator 3) Núcleo de chapas rotor 4) Tampa 5) Ventilador 6) Tampa defletora 7) Eixo 8) Enrolamento tifásico 9) Caixa de ligação 10)Terminais 11)Rolamentos 12)Barras e anéis de curto-circuito Corte lateral de um motor de indução trifásico (WEG) 3

30 O estator possui enrolamentos trifásicos (ou monofásicos) alojados e distribuídos em ranhuras na parte interna do núcleo do estator. O número de terminais dos enrolamentos varia de acordo com o tipo de enrolamento que se está considerando Os aspectos construtivos do rotor são de extrema importância extrema importância, pois nele concentram-se as principais características que influenciam no torque de partida desenvolvido pelo motor assíncrono 4

31 Rotor gaiola de esquilo O rotor de gaiola de esquilo é o tipo mais utilizado. É constituído de chapas de aço magnético com barras condutoras espaçadas entre si, situadas na circunferência das chapas magnéticas. Estas barras condutoras são eletricamente e mecanicamente conectadas a anéis nas suas extremidades. Esta forma de construção ajuda a reduzir as vibrações mecânicas e os ruídos audíveis. As barras condutoras e as chapas magnéticas constituem um único bloco mecânico, extremamente robusto e compacto 5

32 Rotor gaiola de esquilo As barras condutoras ao serem curto-circuitadas em suas extremidades, pelos anéis condutores, formam um objeto parecido com uma gaiola de esquilo, o que dá o nome a este tipo de rotor 6

33 Rotor gaiola de esquilo material das barras condutoras A grande maioria dos fabricantes de motores de indução tem trocado as barras de cobre pela utilização de barras de alumínio, fundindo assim as barras condutoras e os anéis de curto em uma peça única. Esta tendência tem apresentado grande crescimento, mesmo para motores de grande porte, principalmente, devido ao crescente aumento do custo do cobre a partir do ano de 2000 O cobre tem a vantagem de minimizar as perdas, porém o alumínio é a melhor opção pois tem como vantagens: menor custo e facilidade de fabricação 7

34 Rotor gaiola de esquilo formato das barras condutoras As barras condutoras variam de formato conforme o tipo de curva de torque de partida que os motores deverão proporcionar. A grande variedade de formatos das barras condutoras existentes tornou-se possível, principalmente, através da utilização do alumínio na fabricação dos rotores. As barras de cobre também podem ser moldadas, porém, os processos de fabricação são caros e dispendiosos O formato das barras condutoras tem grande influência no desempenho do motor, especialmente durante o processo de partida. Este fenômeno é conhecido como skin effect, ou efeito pelicular, o qual causa um deslocamento da corrente para o topo da barra durante a partida 8

35 Rotor gaiola de esquilo formato das barras condutoras 9

36 Rotor bobinado O rotor bobinado está, atualmente, em desuso devido ao alto custo de construção e manutenção. É utilizado no método de partida através da variação da resistência rotórica e as bobinas do rotor são disponibilizadas para conexão externa através de escovas 10

37 Curvas características da máquina de indução trifásica Curvas de (corrente, conjugado, potência) x escorregamento para a operação como motor, gerador e freio 11

38 Efeito da variação da resistência de rotor bobinado Característica do conjugado x (escorregamento, velocidade) para quatro valores diferentes de resistância de rotor 12

39 Efeito da variação da resistência de rotor gaiola Característica do conjugado x velocidade para variação da resistência de rotor em função da variação da velocidade 13

40 Barras profundas Fluxo em um rotor de barras profundas: (a) corrente flui através da parte superior da barra onde a indutância é menor (partida); (b) corrente flui através da parte mais profunda da barra onde a indutância é é maior (funcionamento); (c) representação das barras através de circuitos série-paralelo, sendo L3>L2>L1 14

41 Dupla gaiola Seção transversal da dupla gaiola Chapas magnéticas de um rotor de dupla gaiola 15

42 Variação da impedância rotórica através da variação do formato da secção transversal das barras condutoras do rotor Chapas magnéticas de um rotor de dupla gaiola: (a) Rotor com barras puntiformes; (b) Rotor com barras profundas; (c) Rotor com dupla gaiola 16

43 Curvas padrão de torque Conforme ABNT- NBR :2008 (Associação Brasileira de Normas Técnicas) 17

44 Capítulo 1 INTRUDUÇÃO Produção do campo girante em enrolamentos trifásicos 18