ENSINO PRESENCIAL COM SUPORTE EAD

ENGENHARIA MECATRÔNICA

INSTALAÇÃO

INSTAA

NOITE2

LEONARDO DA COSTA SIMÃO – 290742011

MÁQUINAS ELÉTRICAS

PORTFÓLIO 2

GUARULHOS – SP

2013

GUARULHOS – SP

2013

Trabalho apresentado ao curso Engenharia Mecatrônica da Faculdade ENIAC para a disciplina MÁQUINAS ELÉTRICAS e ao prof. MARCOS JOSE PINSON.

LEONARDO DA COSTA SIMÃO – 290742011PORTIFÓLIO 2

Lista de Figuras

Figura 1 - Campo Girante por Rotação Mecânica das Estruturas.......................5

Figura 2 - Orientação das Bobinas Segundo o Mesmo Eixo...............................6

Figura 3 - Representação do Campo Girante.....................................................6

Figura 4 - Representação Fasorial do Campo Girante........................................7

Figura 5 - Rotor em Gaiola..................................................................................8

Figura 6 - Rotor Bobinado...................................................................................8

Figura 7 - Equação do Escoamento....................................................................9

Figura 8 - Equação do Escoamento....................................................................9

Figura 9 - Escorregamento S - Negativo...........................................................12

Figura 10 - Geradores síncronos elementares: (a); 2 polos; (b): 4 polos; (c)

conexão das bobinas em estrela ou Y para o gerador de 4 polos....................14

Figura 11 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico..........................................15

Figura 12 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico 2.......................................15

Figura 13 - Curvas características binário - velocidade para diferentes valores

de resistência do motor Rr4>Rr3>Rr2>Rr1.......................................................17

SumárioQuestões:............................................................................................................6

1. Explique graficamente a formação do campo girante trifásico, mostrando ao menos três instantes da corrente alternada trifásica..................................6

2. Descreva o funcionamento do motor de indução trifásico;..........................8

3. Por que a velocidade do rotor do motor de indução não pode ser igual à velocidade síncrona?.....................................................................................10

4. O que é escorregamento de uma máquina de indução?...........................10

5. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como motor?............................................................................................................11

6. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como gerador?.........................................................................................................12

7. Descreva as vantagens e desvantagens do motor de indução trifásico frente aos demais motores elétricos (motor de corrente contínua e motor síncrono)........................................................................................................14

8. O que são ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada?. 14

9. O que são ângulos elétricos?.....................................................................14

10. Explique, com auxílio de gráficos e diagramas, qual a relação existente entre ângulos elétricos e ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada de pólos..........................................................................................14

11. Qual a diferença entre enrolamentos de passo pleno e de passo fracionário?....................................................................................................16

12. Quais as principais vantagens do passo fracionário?..............................17

13. Desenhe uma curva típica de torque de uma máquina de indução trifásica e ilustre as três regiões operativas (motor, gerador e frenagem), descrevendo rapidamente o funcionamento da máquina em cada uma delas........................................................................................................................17

14. O que é uma bobina de passo encurtado ou fracionário?.......................19

Conclusão.........................................................................................................19

Bibliografia.........................................................................................................19

Questões:

Na falta de informações, todas as máquinas dos exercícios são trifásicas, de

60 Hz e têm os enrolamentos de armadura montados em camada dupla.

1. Explique graficamente a formação do campo girante trifásico, mostrando ao menos três instantes da corrente alternada trifásica. A Figura 1 apresenta o campo girante produzido por uma estrutura de dois e

quatro pólos magnéticos. A Figura também destaca um núcleo magnético

cilíndrico representativo do rotor.

Figura 1 - Campo Girante por Rotação Mecânica das Estruturas

Para obter-se o campo girante representado na Figura 1 é preciso arranjar

conjuntos de bobinas que sejam convenientemente alojadas no estator.

Quando essas bobinas forem percorridas por correntes trifásicas, irão produzir

campos magnéticos, cuja resultante será um campo com intensidade

constante, que gira exatamente como está representado na Figura 1.

As correntes trifásicas em circuitos equilibrados são defasadas de 120° no

tempo. Se estas três bobinas forem dispostas em um mesmo eixo, como

mostrada na Figura 2, o campo resultante seria nulo.

Figura 2 - Orientação das Bobinas Segundo o Mesmo Eixo

A força magnetomotriz irá produzir um campo magnético girante com

velocidade e intensidade constantes. A velocidade depende da frequência das

correntes aplicadas ao conjunto de bobinas trifásicas. A Figura 3 mostra

graficamente o campo girante em quatro instantes distintos.

Figura 3 - Representação do Campo Girante

Figura 4 - Representação Fasorial do Campo Girante

Na figura 4, caso se troque a alimentação de duas bobinas, isto é, injetar a

corrente da bobina b na bobina c e, ao mesmo tempo, injetar a corrente da

bobina c na bobina b, tem-se como resultado a mudança no sentido de rotação

do campo girante.

2. Descreva o funcionamento do motor de indução trifásico;

O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico (MIT) é o mesmo

de todos os motores elétricos, ou seja, baseia-se na interação do fluxo

magnético com uma corrente em um condutor, resultando numa força no

condutor. Esta força é proporcional às intensidades de fluxo e de corrente (F =

il xB). Existem dois tipos de MIT: Rotor em gaiola; Rotor bobinado (em anéis).

O motor compõe-se de duas partes: Estator, onde é produzido o fluxo

magnético; Rotor, onde é produzida a corrente que interage com o fluxo,

conforme a figura 5.

Figura 5 - Rotor em Gaiola

No estator (parte fixa) estão montados três enrolamentos. Estes enrolamentos

estão ligados à rede de alimentação, podendo estar conectados em estrela ou

triângulo. A alimentação do MIT é realizada por uma fonte de tensão trifásica e

equilibrada, logo as correntes do estator (armadura) estarão defasadas de

120°. Estas correntes irão produzir um fluxo resultante girante em relação à

armadura, que irá induzir no rotor (v xB.dl ) tensões alternativas em seus

enrolamentos. Estando estes enrolamentos curto-circuitados irão aparecer

correntes no rotor (figura 6), sendo estas correntes e o fluxo girante,

responsáveis pelo aparecimento do torque no MIT.

Figura 6 - Rotor Bobinado

3. Por que a velocidade do rotor do motor de indução não pode ser igual à velocidade síncrona?

Pela equação do escorregamento, figura 7, percebemos que a velocidade do

rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois assim, nenhuma corrente

seria induzida no enrolamento do rotor e consequentemente nenhum torque

seria produzido.

Figura 7 - Equação do Escoamento

4. O que é escorregamento de uma máquina de indução?

Define-se escorregamento de um motor de indução como sendo a diferença

entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor do motor, expressa em

porcentagem da velocidade síncrona, isto é:

Figura 8 - Equação do Escoamento

s(%) = escorregamento do motor expresso em porcentagem;

ωs = velocidade angular síncrona [rad/s];

ns = rotação (ou velocidade) do campo girante [rpm];

s=ns−nns

ω = velocidade angular do rotor [rad/s];

n = rotação (ou velocidade) do rotor [rpm].

5. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como motor? Pela definição do escorregamento, temos:

Frequência Velocidade de deslocamento

F1 N1 Estator

F2 N1 – N2 Rotor

Onde N2 é a velocidade mecânica do rotor e N1-N2 velocidade relativa com

que o campo girante irá reduzir as tensões de frequência F2 no rotor. Pode-se

fazer a seguinte equações:

f 2=n1−n2n1

. f 1

Definindo-se:

s=n1−n2n1

Seja n0 a velocidade do campo do rotor em relação ao terra (estator),

escrevendo-se:

n0 = n2 + n22

Onde n22 é a velocidade do campo do rotor em relação ao próprio rotor:

n22=120p. f 2

n0=n2+120p. f 2 , substituindo naequação s=

n1−n2n1

E reorganizando a equação, temos:

n2=n1 . (1−s )

n0=n1 (1−s)+ 120ps . f 1=n1−s . n1+s .n1

n0=n1

Donde conclui-se que as velocidades dos campos do estator e rotor em relação

ao estator são iguais, porém a velocidade mecânica do rotor é menor que a

velocidade síncrona dos campos, devido ao que definiu-se sobre o

escorregamento.

6. Quais são os valores de escorregamento para funcionamento como gerador? A máquina de indução com o rotor em gaiola (MIRG) funciona como gerador

nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade

angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos, s, negativos,

conforme ilustrado na Figura 9.

Figura 9 - Escorregamento S - Negativo

No modo de funcionamento como gerador a máquina funciona entre os pontos

correspondentes ao escorregamento (aproximadamente) nulo e o

correspondente ao valor máximo da intensidade de corrente admissível no

estator, o qual, para a máquina a que corresponde a característica

representada na Figura 9, se verifica para um valor de s igual a -0.8%. Este

valor é consideravelmente inferior àquele para o qual ocorre o binário máximo

(cerca de -8% para a característica representada na Figura 9). Em virtude da

variação da velocidade admissível da máquina em relação à velocidade de

sincronismo ser muito pequena, na prática, esta máquina comporta-se como

tendo velocidade constante.

Abaixo uma tabela ilustrando o motor e gerador:

Tabela 1 – Tabela Modos de Funcionamentos Motor/Gerador

7. Descreva as vantagens e desvantagens do motor de indução trifásico frente aos demais motores elétricos (motor de corrente contínua e motor síncrono). As vantagens são de baixo de aquisição, baixo custo de manutenção, torque

de partida não nulo, robustez, disponível em potências de 14

HP a mais de

30.000 HP e desvantagens como controle de velocidade difícil, corrente de

partida elevada e fator de potência baixo e sempre indutivo.

8. O que são ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada? É o ângulo de giro do rotor ao longo do seu eixo.

9. O que são ângulos elétricos? É o ângulo da corrente ou tensão elétrica; Ângulo mecânico (p/2), onde p é o

número de pólos da máquina.

10. Explique, com auxílio de gráficos e diagramas, qual a relação existente entre ângulos elétricos e ângulos mecânicos em uma máquina de corrente alternada de pólos. O enrolamento da armadura deve ser montado de forma tal que possam ser

induzidas nele tensões trifásicas equilibradas defasadas 1/3 de período. Para

isto é necessário que o enrolamento seja formado de no mínimo 3 bobinas

deslocadas entre si 120º elétricos no espaço. A figura 10.a mostra de forma

simplificada um enrolamento trifásico de uma máquina de 2 polos. As bobinas

estão designadas por (a,-a), (b,-b) e (c,-c). Em cada uma delas o fluxo

magnético girante do rotor induzirá uma tensão. As tensões induzidas estão

defasadas entre si 1/3 de período. Sendo a máquina de 4 polos, serão

necessários 2 conjuntos de bobinas iguais para formar o enrolamento,

conforme mostra a figura 10.b. O ângulo geométrico entre cada uma das

bobinas é igual a 60º que correspondem a 120º elétricos. A figura 10.c mostra a

conexão entre as bobinas da máquina de 4 pólos para formar um enrolamento

ligado em estrela.

Figura 10 - Geradores síncronos elementares: (a); 2 polos; (b): 4 polos; (c) conexão das bobinas em estrela ou Y para o gerador de 4 polos

Como na figura 11 e 12, o passo1 da bobina, distância medida em graus entre

os dois lados da bobina, é igual à metade do comprimento da onda de indução

magnética. Quando um lado da bobina está sob um pólo N, o outro,

necessariamente, deve estar sob o pólo S e a conexão entre os lados deve ser

feita de forma a poder somar as tensões induzidas em cada lado. A tensão

induzida passa por dois ciclos completos para cada rotação do rotor. Logo, a

freqüência f é o dobro da freqüência da máquina de dois pólos girando à

mesma velocidade.

Figura 11 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico

Figura 12 - Relação entre Graus Mecânico/Elétrico 2

11. Qual a diferença entre enrolamentos de passo pleno e de passo fracionário? O enrolamento se encontra montado na parte fixa da máquina denominada

armadura ou estator e o fluxo magnético é criado na parte rotativa denominada

rotor. Os geradores síncronos são exemplos típicos desta montagem.

A figura 13 representa uma máquina rotativa monofásica elementar (tal como a

da figura 13, mas diferindo daquela no que se refere ao rotor, que é liso). O

enrolamento do rotor não está representado. O enrolamento da armadura

representado na figura 13 é chamado de enrolamento concentrado de passo

pleno. Concentrado porque as suas N espiras estão concentradas em um único

para de ranhuras e não distribuídas por várias ranhuras. Nas máquinas reais, o

enrolamento se encontra distribuído por várias ranhuras. De passo pleno

porque a distância entre os lados da bobina é igual a 180º graus elétricos ou

2π radianos elétricos ou um passo polar. O enrolamento das máquinas reais é

feito, em muitos casos, com um passo menor do que o passo pleno ou polar

para eliminar a presença de harmônicos. Neste caso o enrolamento é chamado

de enrolamento de passo encurtado ou passo fracionário.

12. Quais as principais vantagens do passo fracionário? As principais vantagens são as relacionadas com a grande gama de projetos

onde podem ser inseridos com menores custos, principalmente em trabalhos

digitais em cabeças de impressões, plotters, mesas de usinagem, onde o

principio fundamental é a precisão.

13. Desenhe uma curva típica de torque de uma máquina de indução trifásica e ilustre as três regiões operativas (motor, gerador e frenagem), descrevendo rapidamente o funcionamento da máquina em cada uma delas.

Figura 13 - Curvas características binário - velocidade para diferentes valores de resistência do motor Rr4>Rr3>Rr2>Rr1

O principio de funcionamento da máquina de indução baseia-se na

possibilidade de controlar a sua velocidade por variação da resistência do

rotor. A Figura 13 ilustra a alteração das curvas binário / escorregamento da

máquina de indução devido à variação de uma resistência ligada em série com

a do enrolamento do rotor. Na Figura 13 observa-se que, para um dado binário

mecânico, T, é possível variar a velocidade da máquina de indução variando a

resistência rotórica. Se em lugar de uma resistência variável, se instalar um

sistema de conversão ca/cc/ca ligado ao rotor, é possível extrair potência activa

pelo rotor da máquina e assim controlar a velocidade. É este o princípio do

aproveitamento da energia de escorregamento nos motores de indução de

rotor bobinado. O modo de funcionamento das MIDA baseia-se no princípio

acima descrito: para escorregamentos negativos, até se atingir a intensidade

de corrente nominal do estator da máquina, a potência extraída pelo rotor da

máquina é controlada por forma a otimizar a velocidade específica da ponta da

pá do rotor, λ, e assim maximizar o valor do coeficiente de potência, Cp, da

turbina. Para escorregamentos negativos, superiores (em módulo) àquele em

que a intensidade da corrente no estator atinge o valor nominal, a potência

ativa no estator e rotor permanecem constantes. Este princípio do controle da

velocidade por aproveitamento da energia de escorregamento, leva a que esta

máquina possa funcionar como gerador para escorregamentos positivos. Por

forma a garantir este modo de operação, torna-se necessário fornecer potência

ativa ao rotor.

14. O que é uma bobina de passo encurtado ou fracionário?O enrolamento das máquinas reais é feito, em muitos casos, com um passo

menor do que o passo pleno ou polar para eliminar a presença de harmônicos.

Neste caso o enrolamento é chamado de enrolamento de passo encurtado ou

passo fracionário.

Conclusão

Ao terminar o trabalho sobre motores elétricos, começando pela criação do

campo elétrico através de suas bobinas que com defasagem conseguimos

montar circuitos trifásicos. Estas combinações formam a força magnetomotriz.

Podemos verificar a formação dos motores como também entender porque a

velocidade síncrona não pode ser igual a da indução, senão não teríamos

movimento no mesmo, mostrado isto através da equação de escorregamento,

sendo os de menor custo e maior utilização na indústria, tendo também suas

desvantagens. Os ângulos mostrados nos gráficos e diagramas puderam

mostrar o desempenho dos motores de forma que o entendimento se tornasse

mais amplo. Fazendo parte deste material também uma pequena comparação

com os motores fracionários que possuem precisão para trabalhos digitais.

Bibliografia

http://www.engonline.fisp.br/3ano/acionamentos_eletricos/Acionamentos_2002_4.pdf

http://www.ifba.edu.br/professores/castro/MIT.pdf

https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/110446/1/MIDA_Ed0.pdf%3F_request_checksum_

%3D5043917e5494280b22f46b50c94d2f33e019ea7a

http://esa.ipb.pt/~jpmc/ArquivoEA/Equipamento_ed0.pdf

http://maquinas-utfpr.blogspot.com.br/2007_08_01_archive.html