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Luis PestanaLuis Pestana

Máquinas Eléctricas I

Generalidades

MMááquinas Elquinas Elééctricasctricas

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

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”.

• 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 àpotência 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.

• 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.

η==bsorvidapotência a

tilpotência úRendimento

REGIMES DE SERVIREGIMES DE SERVIÇÇO MAIS IMPORTANTES:O MAIS IMPORTANTES:

�� Regime S1: Regime contínuo

PerdasElétricas

Temperatura

θθθθ máx

CARACTERÍSTICAS EM SERVIÇO

�� Regime S2: Funcionamento a carga constante durante um período inferior ao

tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico.

θθθθ máx

PerdasElétricas

Temperatura

S2 60 min

S2 30 min

�� 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.

S3 25% DC

S3 40% DCCarga

PerdasElétricas

Temperaturaθθθθ máx

tn trDuração do ciclo - DC

�� 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.

S4 40% DCCarga

PerdasElétricas

Temperatura

Duração do ciclo

θθθθ máx

td tn tr

POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE POTÊNCIA EQUIVALENTE PARA CARGAS DE ““ PEQUENA INPEQUENA INÉÉRCIA RCIA ““::

t1 t2 t3 t4 tn t (s)

P (cv)

t.........tt.P.........t.PPeq

++++++++++++++++====

CHAPA DE CARACTERÍSTICAS

COMPONENTES DE UM ACCIONAMENTO

• Alimentação eléctrica• Protecção/ Comando

eléctrico• Motor• Acoplamento

mecânico• Mecanismo

impulsionadoEnergia mecânica sob a forma de movimento rotativo, caracterizado por binário e velocidade

Energia eléctrica sob a forma de tensão e corrente

RENDIMENTO

η==bsorvidapotência a

tilpotência úRendimento

Bomba hidráulica accionada por motor eléctrico

u x1xx+

−=−==η

• � = 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)

BINÁRIO, POTÊNCIA E ENERGIA

[W] ��

��

��====��

��

��==== ••••

TempoTrabalhoP

J] kWh, [Wh, tPE ••••====

TRABALHO e TRABALHO e POTÊNCIA: POTÊNCIA:

T = F . bT = F . b = Força x “braço” [ Nm ]

BINBINÁÁRIO, RIO, ““TorqueTorque””, , ““ParPar”” ((CoupleCouple), ), ““ConjugadoConjugado””ou MOMENTO de 1 forou MOMENTO de 1 forçça:a:

Temperaturasmáximas admissíveis

CLASSES DE ISOLAMENTO

• A utilização de isolantes de classe F em máquinas de classe Bdá 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

classe F : 155 °C classe B : 130 °C classe H : 180 °C

COMPOSICOMPOSIÇÇÃO DA TEMPERATURA EM FUNÃO DA TEMPERATURA EM FUNÇÇÃO DA CLASSE DE ISOLAMENTO:ÃO DA CLASSE DE ISOLAMENTO:

Temperatura Ambiente ºC 40 40 40 40 40

∆∆∆∆T = Elevação de Temperatura K 60 75 80 105 125( método da resistência )

Diferença entre o ponto mais ºC 5 5 10 10 15quente e a temperatura média

Total: Temperatura do ponto ºC 105 120 130 155 180mais quente

Classe de IsolamentoClasse de Isolamento -- AA EE BB FF HH

CLASSES DE ISOLAMENTO

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,

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.

CÓDIGOS DE REFRIGERAÇÃO (MOTORES)

FORMAS CONSTRUTIVAS NORMALIZADAS –MONTAGEM HORIZONTAL

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: 8 - equipamento submersível, em

condições acordadas

7 - contra a imersão

6 - contra as projecções de água equivalentes a uma vaga;

6 - protecção total contra depósitos de poeira.

5 - contra as projecções de água a alta pressão em todas as direcções

5 - contra depósito de poeiras nocivas;

4 - contra as projecções de água em todas as direcções

4 - contra corpos superiores a 1 mm (ex. fios pequenos)

3 - contra a queda de gotas até 60°em relação à vertical (chuva);

3 - contra corpos superiores a 2.5 mm (ex. ferramentas, «clips», ganchos de cabelo);

2 - contra a queda de gotas até 15°em relação à vertical

2 - contra corpos superiores a 12 mm (ex. dedo da mão);

1 - contra a queda vertical de gotas de água (condensação);

1 - contra corpos superiores a 50 mm (ex. contacto involuntário da mão);

0 - não tem0 - sem protecção

2.º ALGARISMO1.º ALGARISMO

CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DE MOTORES ELÃO DE MOTORES ELÉÉTRICOS:TRICOS:

MOTOR C.A.

MONOFÁSICO

UNIVERSAL

TRIFÁSICO

ASSÍNCRONO

SÍNCRONO

ASSÍNCRONO

GAIOLA DE ESQUILO

ROTOR BOBINADO

SPLIT - PHASE

CAP. PARTIDA

CAP. PERMANENTE

CAP. 2 VALORES

PÓLOS SOMBREADOS

REPULSÃO

RELUTÂNCIA

HISTERESE

DE GAIOLA

DE ANÉIS

IMÃ PERMANENTE

PÓLOS SALIENTES

PÓLOS LISOS

MOTOR C.C.

EXCITAÇÃO SÉRIE

EXCITAÇÃO INDEPENDENTE

EXCITAÇÃO COMPOUND

IMÃ PERMANENTE

SÍNCRONO

CLASSIFICAÇÃO DE MOTORES

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

• Máquinas de corrente contínua

GERADOR ELEMENTAR

Regra da Mão Direita

e = Blv F = Bli

Bornes das Máquinas de Corrente Contínua

• Nomenclatura a utilizar nos enrolamentos de máquinas de corrente continua segundo a norma CEI 60034-8

E1 – E2Indutor paralelo

D1 – D2Indutor série

C1 – C2Enrolamento de compensação

B1 – B2Pólos auxiliares ou de comutação

A1 – A2Induzido

GERADOR DC

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

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 femalternada.

• As máquinas apenas diferem na forma como os enrolamentos estão ligados ao exterior– um alternador utiliza anéis deslizantes– um dínamo utiliza um comutador

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

• As bobinas A e C (e de igual modo B e D) cortam as linhas de fluxo em sentidos contrários.– As polaridades de ea e ec (eb e ed) são portanto opostas– Em todos os instantes temos:

ea+eb+ec+ed= 0 o que significa que não temos corrente de circulação no enrolamento

– A fem captada nas escovasvaria entre ea (a 0º- fig. Ante-rior) e ea+ ed (a 45º- posiçãoda figura ao lado)

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

– Como a densidade de fluxocortado varia de ponto paraponto, a fem E depende daposição das bobinas em cadainstante

e = Blv

Linha Neutra, Reacção do Induzido e Comutação

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 nocurto-circuito “bobina-escovas”

Zonas Neutras

• Se as escovas forem colo-cadas fora das zonas neutras– A fem induzida será menor– As escovas serão percorridas

por elevadas correntes de curto-circuito, causandochispas (faíscas)

• As escovas têm de ser colocadas naszonas neutras, porque:– O curto-circuito ocorre quando a

fem induzida nas espiras é nula– É nas zonas neutras que se capta + fem

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

Reacção do Induzido

• Enrolamentos de compensação e pólos auxiliares de comutação

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 feminduzida total

EFEITO DO CAMPO NA FEM INDUZIDA

• fem induzida mais forteem certas zonas deinfluência dos pólos (fluxoaditivo) do que noutras(fluxos opostos)

• A fem máxima da máquina deixade ser na linha neutra geométrica e passaa ser na linha neutra magnética

Reacção do induzido

• Consequências– Se a máquina não está saturada (zona linear da curva de

magnetização) => A fem não se altera porque o fluxo éconstante (� = c.te)

– Com saturação => menor B => efeito desmagnetizante => menor fem gerada

– Elevação da tensão em laminas consecutivas do colectorjunto 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)

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 auxiliaresde 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

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 laminasconsecutivas -> espiras em curto-circuito

– Há inversão do sentido da correntenas espiras (passagem das espirasde 1 via ou caminho para a viaseguinte).

• 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

Tipos de Excitação Magnética

Classificação

Excitação de máquinas de Corrente Contínua

•Tipos de excitação

•Auto-excitação •Excitação Separada

•Fonte externa •Imanes permanentes•Shunt •Série •Compound

•aditiva

•diferencial

•Hiper-compound

•Isso-compound

•Hipo-compound

Excitação de máquinas de Corrente Contínua

Geradores de Excitação Separada

• Utilizam-se electroímanesem vez de imanes perma-nentes para criar o campomagnético.– 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

• 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

Geradores de Excitação Separadacaracteristica interna (ou de vazio)

Geradores de Excitação Separada

Aplicações típicas

•Tacógrafos

•Tensão proporcional àvelocidade de rotação

•Amplificador (ampli-dínamo)

•Entrada – tensão de excitação, saída tensão do dínamo

Característica externa

Queda devido à reacção do induzido �

Queda devido às resistências do induzido e de contacto das escovas com o colector

U=E-ri.I-�-2ue

E – força electromotriz induzida

U – tensão aos terminaisri – resistência do induzido

ue- queda de tensão por escova, na resistência de contacto escova-colector

� – queda de tensão devido à reacção do induzido

Excitação separada

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 (Ix – 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

Gerador Shunt

Obtém-se por regulação do reóstato de campo

Controlo da fem E0 do gerador Shunt

Controlo de Tensão

• A fem E0 em vazio, é determinada pela curva de magnetização e pela

resistência do circuito indutor

Processo Cumulativo da auto - excitação

• Magnetismo remanescente• 1as 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)

CONDICONDIÇÇÕES DE ÕES DE EXCITABILIDADEEXCITABILIDADE

Gerador Shunt

• 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 (iexc 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

Característica externa

Gerador Compound

• O gerador compoundé similar ao Shunt, mas compensa a queda de tensão interna com autilização de um indutorsérie.– O indutor série é

composto por poucasespiras de fio grosso, dadoque vai ser percorrido pelacorrente do Induzido

– A resistência do indutorsérie é assim muito baixa

Gerador Compound

• 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

Circuito equivalente

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

Comparação de Características

• Característica externa das várias configurações de geradores de corrente continua.

Associação de Geradores

• Em série (para obter + tensão)• Em paralelo (para obter + corrente)

• 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

Paralelo de Dínamos tipo Série

• Internamente Estável

• Distribuição de carga– O de menor “queda interna” suporta + carga

Paralelo de Dínamos tipo Shunt

• 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

Paralelo de Dínamos tipo Compound

Motores de Corrente Continua

Considerações Gerais

• 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.

Características 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.

Aplicações principais

• No funcionamento como Motor, o sentido das correntes é contrário ao sentido como gerador

U > E’

(U)(E)

Características mecânicas

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