práticas de máquinas elétricas

Indaial – 2021

Práticas de Máquinas elétricas

Prof.ª Andrea Acunha Martin

1a Edição

Copyright © UNIASSELVI 2021

Elaboração:

Prof.ª Andrea Acunha Martin

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri

UNIASSELVI – Indaial.

Impresso por:

M379p

Martin, Andrea Acunha

Práticas de máquinas elétricas. / Andrea Acunha Martin – Indaial: UNIASSELVI, 2021.

164 p.; il.

ISBN 978-65-5663-969-7 ISBN Digital 978-65-5663-970-3

1. Motores de corrente contínua. - Brasil. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci.

CDD 621.31042

aPresentaçãoOlá, acadêmico! Seja bem-vindo ao Livro Didático Práticas de

Máquinas Elétricas. Nós iremos estudar a respeito das máquinas elétricas, um assunto muito importante, afinal, tais máquinas são encontradas em boa parte das indústrias e também em nossas casas. Desse modo, veremos que existem vários tipos de máquinas elétricas, como o motor elétrico (presente nas indústrias) e os eletrodomésticos utilizados cotidianamente, de modo que há geradores responsáveis pela energia elétrica utilizada diariamente assim como os transformadores que podem aumentar ou diminuir a tensão. Cada uma dessas máquinas é composta de uma estrutura mecânica específica e uma determinada complexidade, como teremos a oportunidade de observar.

Na Unidade 1, abordaremos os transformadores e as máquinas de

indução. O primeiro equipamento a ser estudado, então, é o transformador, muito comum nas indústrias, no comércio e na distribuição de energia. Iremos conhecer os tipos de ligações e faremos, assim, alguns ensaios. Depois, estudaremos os conceitos que regem uma máquina de indução e realizaremos outro ensaio. Por fim, analisaremos os motores de indução, os tipos e as aplicações.

Em seguida, na Unidade 2, estudaremos o que são as máquinas

síncronas, e além de conhecer sobre o seu funcionamento, faremos alguns testes e ensaios. Também observaremos como uma máquina síncrona funciona enquanto gerador.

Já na Unidade 3, conheceremos os motores de corrente contínua, e

notaremos que apesar da concorrência com as máquinas de indução e com as máquinas síncronas, eles apresentam algumas vantagens, como a facilidade de controle de velocidade e o fornecimento de torque em baixas velocidades.

Portanto, esperamos que você, acadêmico, aprecie essa leitura. Que com esse conteúdo você possa prosseguir no aprofundamento dos estudos sobre máquinas elétricas, desenvolvendo sua aprendizagem acadêmica e formação profissional.

Boa leitura e bons estudos!Prof.ª Andrea Acunha Martin

Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novi-dades em nosso material.

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O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagra-mação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.

Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilida-de de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assun-to em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos!

NOTA

Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento.

Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complemen-tares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.

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Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!

LEMBRETE

suMário

UNIDADE 1 — PRÁTICAS COM MOTORES DE INDUÇÃO ..................................................... 1

TÓPICO 1 — TRANSFORMADORES ............................................................................................... 31 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 32 INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES ............................................................................ 3

2.1 O QUE É UM TRANSFORMADOR? ONDE É UTILIZADO? ................................................ 42.2 POR DENTRO DOS TRASFORMADORES ............................................................................... 52.3 CIRCUITO EQUIVALENTE ....................................................................................................... 10

3 TIPOS DE LIGAÇÕES ..................................................................................................................... 114 ENSAIOS DOS TRANSFORMADORES .................................................................................... 15

4.1 OPERAÇÃO A VAZIO ................................................................................................................ 154.2 ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO .............................................................................................. 16

RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 18AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 19

TÓPICO 2 — MÁQUINAS DE INDUÇÃO ..................................................................................... 211 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 212 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO ........................... 21

2.1 MOTOR DE INDUÇÃO .............................................................................................................. 233 CIRCUITO EQUIVALENTE E ANÁLISE DAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO ...................... 284 ENSAIO PARA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS ................................................................. 30

4.1 ENSAIO SEM CARGA OU A VAZIO ....................................................................................... 314.2 ENSAIO CC PARA A RESISTÊNCIA DE ESTATOR ............................................................... 324.3 ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO ....................................................................................... 33


TÓPICO 3 — CLASSES DE MOTORES DE INDUÇÃO .............................................................. 391 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 392 NORMAS E ESPECIFICAÇÕES .................................................................................................... 393 TIPOS DE CLASSES ........................................................................................................................ 404 APLICAÇÕES .................................................................................................................................... 41LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 45RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 51AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 52

REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 54

UNIDADE 2 — PRÁTICAS COM MÁQUINAS SÍNCRONAS .................................................. 55

TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS SÍNCRONAS .................................................. 571 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 572 O QUE SÃO MÁQUINAS SÍNCRONAS? ................................................................................... 573 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS ............................. 59

3.1 MOTOR ......................................................................................................................................... 603.2 GERADOR ..................................................................................................................................... 61

4 DIAGRAMA FASORIAL DA MÁQUINA SÍNCRONA .......................................................... 624.1 MOTOR ........................................................................................................................................ 63


TÓPICO 2 — TESTES E ENSAIOS ................................................................................................... 711 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 712 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS ........................ 713 CIRCUITO EQUIVALENTE DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS .............................................. 72

3.1 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM MOTOR SINCRONO ................................................. 733.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM GERADOR SINCRONO ............................................ 77

3 TESTE EM ABERTO E TESTE EM CURTO-CIRCUITO .......................................................... 81RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 87AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 88

TÓPICO 3 — OPERAÇÃO DA MÁQUINA SÍNCRONA COMO GERADOR ....................... 911 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 912 CAPACIDADE DA MÁQUINA SÍNCRONA ............................................................................. 913 FREQUÊNCIA SÍNCRONA DE OPERAÇÃO ............................................................................ 934 CONTROLE DE VELOCIDADE ..................................................................................................... 945 APLICAÇÕES .................................................................................................................................... 97LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 103RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 109AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 110

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 112

UNIDADE 3 — PRÁTICAS COM MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ...................... 113

TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA .................. 1151 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1152 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA ............................................................................................................. 115

2.1 ESTRUTURA FISICA ................................................................................................................ 1163 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA ............................................................................................................. 1184 PERDAS E RENDIMENTOS ........................................................................................................ 122RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 126AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 127

TÓPICO 2 — MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ........................................................... 1291 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1292 CORRENTE DE PARTIDA DO MOTOR CC ............................................................................ 1293 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO E PARTIDA ........................................................................... 1304 CIRCUITO EQUIVALENTE ......................................................................................................... 131RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 145AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 146

TÓPICO 3 — TIPOS DE MOTORES DE CC ................................................................................. 1491 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1492 SHUNT .............................................................................................................................................. 1493 SÉRIE ................................................................................................................................................. 1514 COMPOSTO .................................................................................................................................... 153LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 156RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 161AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 162

REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 164

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UNIDADE 1 —

PRÁTICAS COM MOTORES DE INDUÇÃO

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:

• conhecer os princípios de funcionamento das máquinas de indução;• conhecer os princípios de funcionamento das máquinas síncronas;• conhecer o princípio de funcionamento dos transformadores;• aprender as aplicações dos motores de indução.

Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – TRANSFORMADORES

TÓPICO 2 – MÁQUINAS DE INDUÇÃO

TÓPICO 3 – CLASSES DE MOTORES DE INDUÇÃO

Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.

CHAMADA

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TÓPICO 1 — UNIDADE 1

TRANSFORMADORES

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 1, abordaremos os transformadores, que com os geradores síncronos e os motores de corrente alternada foram os responsáveis por facilitar a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada. Neste tópico, veremos quando surgiu o transformador e qual a sua função, ou seja, os aspectos gerais.

Após esse conceito inicial, iremos conhecer o autotransformador e os

tipos de conexão que são comuns em transformadores trifásicos.

Compreenderemos, por fim, que os transformadores podem ser representados por meio de circuitos elétricos, sendo que os parâmetros de tais circuitos são obtidos pelos ensaios.

2 INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES

Para fornecer energia para as lâmpadas incandescentes, Thomas Edison (1847-1931), em 1882, implantou nos Estados Unidos, na cidade de Nova York, a primeira estação geradora de energia elétrica, um sistema de distribuição baseado em corrente contínua de 120V (CHAPMAN, 2013).

A estação geradora era boa, mas apresentava um problema, isto é, a geração e a transmissão de energia tinham tensões muito baixas, então, para fornecer a quantidade de energia necessária, era preciso que houvessem correntes bem elevadas. No entanto, essas correntes elevadas também causavam problemas, como quedas de tensão e grandes perdas de energia nas linhas de transmissão.

Para reverter esses problemas, as usinas geradoras ficavam próximas umas das outras, já que os sistemas de energia em corrente contínua (CC) de baixa tensão não podiam ser transmitidos para longas distâncias. Então, como esse problema foi resolvido? Foi resolvido com a invenção dos transformadores e com o desenvolvimento de estações geradoras de corrente alternada (CA) (CHAPMAN, 2013).

UNIDADE 1 — PRÁTICAS COM MOTORES DE INDUÇÃO

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2.1 O QUE É UM TRANSFORMADOR? ONDE É UTILIZADO?

O transformador é tão importante como componente ou como equipamento auxiliar em diversos tipos de circuitos. Ele pode ser encontrado em aparelhos eletrônicos, mas também em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, trabalhando com os mais diversos níveis de tensões, correntes e frequências.

De maneira simplificada, podemos dizer o transformador e um equipamento utilizado para redução de tensão (transformador abaixador) ou aumento de tensão (transformador elevador). Já de modo ideal, um transformador converte um nível de tensão CA em outro nível de tensão, sem ter nenhum impacto na potência elétrica fornecida. Além disso, sua construção é relativamente simples, pois não possui peças móveis ou desgastáveis.

Conforme Simone (2010), um transformador pode servir para mudar os níveis de tensão e de corrente em sistema elétrico, sem afetar a frequência da onda fundamental, sendo utilizado nas redes de distribuição e transmissão de energia. E pode realizar, assim, o casamento de impedâncias em estágio de sistema de sonorização de audiofrequência, ou então, radiofrequência, por exemplo, em circuitos de radiocomunicações, assim como na isolação elétrica de dois ou mais estágios, em planta elétrica de centro de avaliação médica, equipamentos de pesquisa, transmissão e geração de sinais, computação, eletrônica etc.

Sendo assim, os transformadores são tipicamente utilizados para eliminar a interferência eletromagnética, bloqueando os sinais de corrente contínua ou de frequências muito diferentes da fundamental.

Devemos observar que o transformador é um dispositivo relativamente simples, formado por dois ou mais circuitos elétricos acoplados por um circuito magnético. É uma máquina estática, ou seja, não possui partes girantes. O transformador monofásico, inclusive, pode ser considerado como a máquina elétrica mais simples.

O transformador não é um dispositivo de conversão de energia, porém, é indispensável para muitos sistemas de conversão de energia.

ATENCAO

TÓPICO 1 — TRANSFORMADORES

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A seguir, observaremos um transformador de potência utilizado na transmissão e distribuição de energia elétrica. Esse tipo de transformador é montado em lâminas de espessura mais fina, o núcleo magnetico tem uma porcentagem de silício normalmente inferior a 4%, além de laço de histerese estreito. Tais características servem para diminuir as perdas.

FIGURA 1 – TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA

FONTE: <https://shutr.bz/3kr32xE>. Acesso: 13 jul. 2021.

2.2 POR DENTRO DOS TRASFORMADORES

O transformador monofásico é um dispositivo que converte tensão e corrente por meio de dois enrolamentos em um núcleo magnético fechado, responsável pela transformação.

Normalmente, o transformador é formado por um enrolamento primário (alta tensão), nele é aplicada a tensão de entrada, ou seja, ele recebe a energia da fonte elétrica, e um enrolamento secundário (baixa tensão), nele conecta-se a carga, e assim, podemos obter a tensão de saída, conforme observaremos a seguir.

Nos sistemas de energia elétrica, a energia é gerada com tensões na faixa de 12 a 25kV. Os transformadores elevam essas tensões a um nível entre 110kV e 1.000kV, aproximadamente. Tornando possível, então, começar a transmissão à longa distância. Depois, os transformadores abaixam a tensão para valores na faixa entre 12 a 34,5kV, para realizar a distribuição e permitir que a energia elétrica seja utilizada em nossas residências, nas fábricas e em outros espaços, com tensões, por exemplo, de 120V.

INTERESSANTE


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FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR

FONTE: <https://shutr.bz/3ktA7ZR>. Acesso: 28 jun. 2021.

Podemos notar que o fluxo magnetico está representado em apenas um sentido, porém, ele sempre acompanha o sentido imposto pela tensão aplicada ao enrolamento primário. Quando os enrolamentos estão eletricamente conectados, o transformador recebe o nome de autotransformador.

Um transformador funciona de acordo com os fundamentos do eletromagnetismo, mais especificamente com a Lei de Faraday-Neumann-Lenz (ou lei da indução de Faraday). O enrolamento primário e secundário do transformador são bobinas, então, se alimentarmos um dos dois enrolamentos com sua tensão nominal, teremos um fluxo magnético no núcleo de ferro.

Se, por exemplo, alimentarmos o primário com uma corrente contínua, não obteremos uma transformação de tensão constante no enrolamento secundário, porque o fluxo magnetico gerado pela corrente contínua não e variável ao longo do tempo. Porém, se alimentarmos o primário com tensão alternada, ele irá produzir um fluxo magnético variável, porque a corrente alternada oscila em 60Hz, provocando o surgimento de uma tensão alternada no enrolamento secundário devido à indução magnética. Essa tensão recebe o nome de tensão induzida, sendo proporcional ao número de espiras da bobina, conforme demonstra a equação a seguir:

Nesse caso, NP representa o número de espiras do lado do enrolamento primário, NS representa o número de espiras do lado do transformador secundário, VP(t) e VS(t) são, respectivamente, a tensão aplicada no enrolamento primário do transformador e a tensão produzida no lado do secundário.


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Caso não tenhamos o número de espiras dos enrolamentos, podemos calcular o número de espiras do primário com equação:

Nessa equação, f e a frequência (Hz), SL e a seção líquida do núcleo (cm2) e B é a densidade magnética do núcleo (gauss).

Já a relação de espiras ou de transformação do transformador pode ser obtida pela equação:

Também podemos relacionar as correntes do transformador com a relação de espiras de acordo com a equação:

Aqui, IP(t) e IS(t) são, respectivamente, a corrente que entra no lado primário do transformador e a corrente que sai do lado secundário do transformador.

Podemos reescrever as relações de correntes e tensões do transformador em termos de fasores, conforme as equações seguintes:

Ou,

Em um transformador ideal, a relação de espiras não afeta os seus ângulos, somente a magnitude das tensões e correntes.

ATENCAO


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Os dois tipos de núcleo mais utilizados nos transformadores monofásicos são os núcleos em anel (core) e o núcleo envolvente ou blindado (shell). Existem outros tipos de núcleo, como os transformadores de isolação, que possuem núcleo em toroide.

FIGURA 3 – TIPOS DE TRANSFORMADORES

FONTE: <https://shutr.bz/3zuOT6X>. Acesso em: 13 jul. 2021.

Em um transformador, pode ocorrer o que chamamos de correntes parasitas. Geralmente, o núcleo do transformador monofásico é feito de material ferromagnético, caso esse núcleo seja maciço, surge esse tipo de corrente indesejável. A resistência do núcleo interfere nos efeitos dessas correntes parasitas, quanto menor for a resistência elétrica do núcleo, maiores serão esses efeitos, causando o aquecimento.


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Além das perdas devido às correntes parasitas, o transformador também possui perdas no cobre e perdas por histerese. As perdas no cobre estão relacionadas com o enrolamento das bobinas, isto e, as bobinas são feitas de fio de cobre esmaltado, esse fio possui uma resistência que, quando passa uma corrente elétrica, provoca aquecimento e, consequentemente, perdas de potência. No caso das perdas por histerese magnética, o problema é o atraso provocado entre o campo magnetico e a indução magnetica. Pode-se dizer que ela está diretamente relacionada com as perdas no ferro, material utilizado no núcleo.

No projeto, a perda é um fator importante, e se ela não for considerada, a potência que o transformador e capaz de suprir acaba sendo bem menor, chegando a casos de rendimento de apenas 60%.

O circuito primário fornece uma potência ativa ao transformador, podendo ser calculado com a equação:

Nesse caso, θP é o ângulo entre a tensão e a corrente primária.

Do mesmo modo que calculamos a potência ativa de entrada, também podemos calcular a potência ativa fornecida, porém, quem fornece a potência à carga é o circuito secundário do transformador:

Na equação acima, θS é o ângulo entre a tensão secundária e a corrente secundária.

Como observamos, em um transformador ideal, os ângulos entre tensão e corrente não são afetados, desse modo, podemos concluir que θP = θS, ou seja, os enrolamentos primário e secundário de um transformador ideal, possuem o mesmo fator de potência; assim, Pentrada=Psaída. O mesmo raciocínio pode ser usado para as potências reativas Q e S. Com isso, temos as equações a seguir:

Para diminuir o efeito das correntes parasitas, não devemos utilizar um núcleo maciço para o transformador, mas sim chapas de ferro magnético (com uma espessura reduzida), e elas devem estar isoladas eletricamente uma da outra.

IMPORTANTE


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O transformador altera os níveis de tensão e de corrente, por essa razão, afeta também a impedância aparente de um elemento. Assim, vemos que a impedância na carga é dada por meio da equação:

Nesse caso, ZL é a impedância na carga.

A impedância aparente no primário é obtida por:

2.3 CIRCUITO EQUIVALENTE

Um transformador real é diferente do modelo ideal, ou seja, ele não tem apenas duas bobinas e um núcleo de ferro. Existem alguns parâmetros que precisamos conhecer e calcular para obtermos o funcionamento adequado do transformador. A seguir, observaremos a apresentação do circuito equivalente de um transformador real.

FIGURA 4 – CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM TRANSFORMADOR REAL

FONTE: A autora

E,

No transformador ideal, as tensões são transformadas na razão direta da relação de espiras. As impedâncias, na razão direta da relação de espiras ao quadrado, e as correntes, na razão inversa. Já as potências não se alteram.

IMPORTANTE


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No circuito acima, podemos identificar os seguintes parâmetros: no enrolamento primário, temos a resistência R1 e a reatância indutiva X1. No enrolamento secundário, temos a resistência R2 e a reatância indutiva X2. As perdas no ferro são representadas pela resistência de magnetização e XM representa reatância indutiva de magnetização (UMANS, 2014).

3 TIPOS DE LIGAÇÕES

Normalmente, a geração de energia eletrica e realizada em corrente alternada por meio dos geradores síncronos trifásicos. Essa energia é transmitida e distribuída para os consumidores finais. Nesse caminho, temos os transformadores utilizados após a geração, para elevar e, tambem, para reduzir a tensão para subtransmissões e distribuição final da energia eletrica trifásica.

Para todas essas funções, podemos utilizar um transformador trifásico ou um banco de três transformadores monofásicos. Se pensarmos do ponto de vista econômico, a melhor solução e utilizar um transformador trifásico. Alem disso, proporciona melhor rendimento e ocupa um espaço menor.

Se considerarmos a questão do custo de manutenção, um banco com três transformadores monofásicos e vantajoso. Afinal, um transformador monofásico de reserva possui valor menor do que um trifásico, com o triplo de potência. Outra vantagem é que se um dos transformadores monofásicos sofrer algum tipo de dano, é possível continuar o suprimento de energia, desde que esses dois transformadores restantes estejam ligados em Δ aberta (“em V”).

Os principais tipos de ligações encontradas em um sistema trifásico são:

• estrela ou Y;• triângulo ou Δ;• ziguezague ou Z.


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FIGURA 5 – LIGAÇÕES TRIÂNGULO E ESTRELA

FONTE: <https://shutr.bz/2W2HLkF>. Acesso em: 13 jul. 2021.

Quando temos um banco trifásico de transformadores, tanto as tensões como as correntes nominais do primário e do secundário, são afetadas dependendo da conexão. Já o valor nominal da potência aparente (kVA) não depende do tipo de conexão. Como se trata de um banco trifásico, o valor e sempre três vezes o valor dos transformadores monofásicos.

A conexão estrela-triângulo (Y-Δ), normalmente e utilizada para abaixar uma tensão alta para uma tensão média ou baixa. Já a conexão triângulo-estrela (Δ -Y) e o inverso da conexão estrela-triângulo, ou seja, costuma-se utilizar para elevar uma tensão.

Cabe destacar que a conexão triângulo-triângulo (Δ -Δ) tambem e conhecida como conexão V ou delta aberto, e possui uma vantagem em relação às outras conexões, pois um dos transformadores pode ser retirado para manutenção ou conserto, enquanto os outros dois ficam funcionando como um banco trifásico, porem, com o valor nominal reduzido a 58% do valor do banco original.


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A conexão estrela-estrela (Y-Y) e muito pouco utilizada, isso ocorre devido às dificuldades dos fenômenos associados à corrente de excitação.

Podemos analisar, a seguir, as conexões estrela-estrela, triângulo-triângulo e triângulo-estrela.

FIGURA 6 – TIPOS DE CONEXÕES COM TRANSFORMADORES

FONTE: <https://shutr.bz/3kwn75W>. Acesso em: 13 jul. 2021.

Em condições equilibradas, os cálculos com bancos trifásicos de transformadores são feitos com apenas um dos transformadores ou fases, uma vez que as condições nas outras fases são iguais. A única diferença e a defasagem de 120° entre as fases.

Vamos a um exemplo? Considere três transformadores monofásicos idênticos conectados delta-delta. Os dados nominais de cada transformador são: 15 kVA, 220/2200V e Zeq = 5+j40 Ω, referido ao circuito de alta. Uma carga trifásica


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equilibrada de 40 kVA conectada em estrela, e fator de potência 0,90 atrasada, é ligada nos terminais de baixa do banco trifásico para ser alimentada na tensão de 220V. Iremos determinar o valor das correntes nos circuitos de baixa e de alta do circuito equivalente.

O cálculo da relação de espiras de cada transformador monofásico se mantém na conexão trifásica, porque as tensões sobre cada enrolamento de fase estrela, equivalente ao delta, é calculado da seguinte forma:

A impedância que representa cada fase do banco de transformadores é a impedância dada por:

O valor da corrente na linha no lado da baixa, é a corrente em cada fase da carga, dada por:

Já o valor da corrente na linha no lado de alta, é a corrente em cada fase da carga, dada por:

ou


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4 ENSAIOS DOS TRANSFORMADORES

Tanto os ensaios quanto os testes realizados em transformadores, ambos estão previstos em normas. Por meio dos ensaios e dos testes, podemos verificar, por exemplo, se os parâmetros reais do transformador estão de acordo com o projeto. Com os ensaios, também conseguimos encontrar as dimensões das variáveis definidas no modelo do transformador real, com a utilização de simulações.

4.1 OPERAÇÃO A VAZIO

O ensaio a vazio dos transformadores tem como objetivo determinar as perdas no núcleo ou perdas por histerese e de Foucault, além de calcular os parâmetros magnéticos para a construção do circuito equivalente do transformador.

Faremos um exemplo montando o circuito da figura 4, utilizando um transformador comercial de 500 VA disponível na maioria das lojas de produtos para eletricidade. Os mesmos testes são válidos em qualquer tipo de transformador. Os transformadores de pequeno porte costumam ser construídos com as duas bobinas acopladas, para um equipamento mais compacto, lembrando que essa configuração e chamada de autotransformador.

De posse desse transformador, o teste a vazio será conectar o primário na rede de alimentação 220V e deixar o secundário sem conexões. Com essas ligações, são utilizadas medidas de tensão, corrente e potência para determinar os parâmetros.

É importante lembrarmos como devem ser ligados os instrumentos. Portanto, devemos configurar o multímetro para leituras de corrente alternada (valores eficazes) na faixa de tensão conveniente. Nesse passo, e importante ligar todos os instrumentos corretamente e deixar o secundário aberto. Agora, faremos tais procedimentos:

• conectar os terminais 1 e 2 em uma fonte CA ajustável para tensão nominal de 220V;

• medir a potência ativa absorvida fazendo a leitura do wattímetro;• medir a tensão no primário com a ajuda do voltímetro: a leitura deve seguir a

rede de alimentação, próximo de 220V;• medir a corrente no primário com o amperímetro: uma vez que não há carga

no secundário e a dissipação de potência se deve quase completamente à resistividade dos condutores, esse valor deve variar bastante entre um transformador comercial e outro, e será da ordem de centenas de miliamperes;


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• calcular a potência aparente absorvida pelo primário utilizando a equação: S0 = VpoIpo, lembrando que essas medidas devem ser realizadas em valores eficazes;

• calcular os parâmetros de magnetização do transformador com as equações.

TABELA 1 – PARÂMETROS DE MAGNETICAÇÃO

FONTE: A autora

Nesse caso, cos φ e o fator de potência do transformador, IRm é a corrente da resistência de magnetização do ferro, Imag é a corrente da reatância de magnetização, Zm é a impedância do circuito magnético, Rm é a resistência do circuito magnético, Xmag e a reatância de magnetização e Qvar é a potência reativa do transformador.

Assim, determinam-se os parâmetros de resistência e indutância do transformador para a magnetização. Tais parâmetros estão relacionados à distribuição e à perda de fluxo magnetico no entreferro.

4.2 ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO

O ensaio em curto-circuito dos transformadores visa determinar as perdas no cobre nos enrolamentos primário e secundário. As perdas no cobre são a resistividade desse elemento utilizado para fabricar o fio magnetico.

Para realizar tal teste, recomenda-se o uso de uma fonte de tensão alternada ajustável. Desse modo, é possível aumentar e diminuir gradativamente o valor de pico (consequentemente o valor eficaz) para atingir o valor nominal de corrente.

As conexões dos instrumentos devem respeitar os terminais, como no teste anterior, para permitir medidas de tensão, corrente e potência. Os valores nominais de um transformador são encontrados na sua placa de descrição ou até na embalagem.


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Começaremos, então, montando o circuito da figura 4, e seguir as seguintes etapas: • ajustar a fonte de tensão alternada e alimentar o primário do transformador

de acordo com a figura; • verificar que a tensão de saída inicial da fonte seja 0V, e aumentar de forma

gradativa a tensão aplicada ao primário, por meio da fonte, até que a corrente indicada no amperímetro seja a corrente nominal do transformador;

• anotar os valores da Pcc, Vccp e In medidos;• calcular os dados do circuito equivalente utilizando as equações.

TABELA 2 – CIRCUITO EQUIVALENTE

FONTE: A autora

Nesse caso, Rcc e a resistência de curto-circuito, Zcc é a impedância de curto-circuito, Xcc e a reatância indutiva, cos φ e a potência dos enrolamentos e Np/Nc é a relação de transformação.

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Neste tópico, você aprendeu que:

• Os transformadores, junto aos geradores síncronos e aos motores de corrente alternada foram responsáveis por facilitar a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada.

• Os principais tipos de conexão são estrela e triângulo, e a conexão estrela-triângulo, normalmente e utilizada para abaixar uma tensão alta para uma tensão média ou baixa, enquanto a conexão triângulo-estrela costuma ser utilizada para elevar uma tensão.

• É possível realizar os ensaios a vazio e em curto-circuito dos transformadores.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 O transformador é importante tanto como componente ou quanto como equipamento auxiliar em muitos circuitos. Tal componente pode ser encontrado em aparelhos eletrônicos, em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, trabalhando, assim, com os mais diversos níveis de tensões, correntes e frequências. Sobre os transformadores, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A resistência equivalente do transformador é determinada no ensaio a vazio.

b) ( ) Para se realizar o ensaio a vazio, aplica-se corrente nominal nos enrolamentos.

c) ( ) A resistência do ramo magnetizando e determinada a partir do ensaio em curto-circuito.

d) ( ) O ensaio em curto-circuito dos transformadores busca determinar as perdas no cobre nos enrolamentos primário e secundário.

2 Frequentemente, a geração de energia eletrica e realizada em corrente alternada com geradores síncronos trifásicos. Essa energia é transmitida e distribuída para os consumidores finais, para isso, utilizamos os transformadores. Sobre os transformadores, analise as sentenças a seguir:

I- A conexão delta aberto possui uma vantagem em relação às outras conexões, pois, um dos transformadores pode ser retirado para manutenção ou conserto, mas os outros dois ficam funcionando como um banco trifásico.

II- A conexão estrela-triângulo (Y-Δ) costuma ser utilizada para aumentar uma tensão baixa ou média para uma tensão alta.

III- A conexão estrela-estrela não e muito utilizada em decorrência das dificuldades dos fenômenos associados à corrente de excitação.

Assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

3 Os ensaios e os testes realizados em transformadores estão previstos em normas. Com os ensaios e os testes, e possível verificar se os parâmetros reais do transformador estão em conformidade com o projeto. Sobre os transformadores, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

AUTOATIVIDADE

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( ) A resistência do ramo magnetizando e determinada a partir do ensaio a vazio.

( ) Nos transformadores, a escolha do enrolamento a ser aplicado o curto-circuito no ensaio é arbitrária.

( ) Por meio do ensaio de curto-circuito, encontramos a resistência em série dos enrolamentos do transformador e a reatância de magnetização do núcleo desse mesmo transformador.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:

a) ( ) V – F – F.b) ( ) V – V – F.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 Um transformador possui diversas funções, como mudar os níveis de tensão e de corrente em um sistema eletrico, realizar o casamento de impedâncias, em estágio de sistema de sonorização de audiofrequência ou radiofrequência, na isolação elétrica, eliminar a interferência eletromagnética e muitas outras. A seguir, temos a representação de um transformador de tensão ideal. Descreva o cálculo do valor da tensão de saída.

FONTE: A autora

5 Em um transformador pode ocorrer algumas perdas, como perdas em decorrência das correntes parasitas, as perdas no cobre e as perdas por histerese. O circuito apresenta um transformador ideal. Descreva o cálculo do valor da corrente I1 sabendo que o resistor R tem valor de 20Ω e potência dissipada de 50KW.

FONTE: A autora

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MÁQUINAS DE INDUÇÃO

1 INTRODUÇÃO No Tópico 2, abordaremos as máquinas de indução, também conhecidas

como máquinas CA assíncronas. Esse tipo de máquina pode ser utilizado como gerador ou motor.

A máquina de indução como gerador ainda não e muito utilizada, mas desde que surgiu a geração de energia eólica, essa função ficou em destaque. Ainda assim, o motor elétrico continua sendo a principal aplicação.

Iremos estudar, portanto, o que é uma máquina de indução, os aspectos gerais e o seu princípio de funcionamento, podemos adiantar que a máquina de indução é, basicamente, um transformador com um secundário grande.

Depois do conceito inicial, observaremos que as máquinas elétricas podem

ser representadas por um circuito, assim, poderemos realizar uma análise. Por fim, aprenderemos como realizar um ensaio para obter os parâmetros do circuito equivalente das máquinas de indução.

2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO

No seculo XIX, foi criada a máquina de indução por Nikola Tesla (1856-1943). Essa máquina opera em corrente alternada, possuindo uma construção simplificada, formada basicamente por um rotor (parte rotativa) e um estator (parte estacionária). A máquina de indução tem muitas aplicações, principalmente devido à sua simplicidade, robustez e seu valor baixo, quando comparado com o valor de uma máquina de corrente contínua ou de uma máquina síncrona de mesma potência (FREITAS; SILVA, 2018).

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FIGURA 7 – ROTOR DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

FONTE: <https://shutr.bz/3nX2DVW>. Acesso: 16 jul. 2021.

A máquina de indução tem muitas aplicações, principalmente devido à sua simplicidade, robustez e seu valor baixo, quando comparado com o valor de uma máquina de corrente contínua ou de uma máquina síncrona de mesma potência (FREITAS; SILVA, 2018).

FIGURA 8 – ESTATOR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO

FONTE: <https://shutr.bz/3o1W18K>. Acesso: 16 jul. 2021.

O formato da máquina de indução depende da função para a qual é construída, de modo que pode funcionar como motor, freio e gerador. Essas máquinas tambem possuem esse nome porque a tensão do rotor e induzida nos enrolamentos ao inves de ser fornecida por uma conexão física de fios. A diferença principal de um motor de indução em relação a outros motores, consiste no fato de não ser necessário uma corrente de campo CC para que o motor opere.

A máquina de indução como gerador possui grande aplicação em sistemas eólicos, mas para sua aplicação, é preciso que a turbina eólica eleve a velocidade de rotação acima de sua velocidade nominal (velocidade síncrona).

TÓPICO 2 — MÁQUINAS DE INDUÇÃO

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O principal uso dessa máquina é como motor, já que o motor de indução e o tipo de motor mais utilizado na indústria, pois possui a melhor potência específica (maior volume de potência por peso de equipamento). Pelo fato de ser mais frequente como motor, muitas vezes as máquinas de indução são chamadas como motor de indução.

No funcionamento como motor, o rotor gira no mesmo sentido do campo girante do estator, porém, com uma velocidade menor e dependente da frequência da rede. Como freio, o rotor gira no sentido contrário ao campo girante. Vale ressaltar que a tendência do rotor é seguir o campo girante, dessa forma, será gerado um torque contrário da rotação do eixo. Esse modo e mais utilizado em sistemas de frenagem de veículos. Veremos, a seguir, as partes de um motor trifásico de indução.

FIGURA 9 – MOTOR TRIFÁSICO DE INDUÇÃO

FONTE: <https://shutr.bz/3kx0Zbt>. Acesso em: 13 jul. 2021.

2.1 MOTOR DE INDUÇÃO

Um motor de indução tem fisicamente o mesmo estator que uma máquina síncrona, no entanto, a construção do rotor é diferente.

Um material muito interessante para compreendermos o funcionamento das máquinas de indução (como gerador) é o trabalho Uso do Gerador de Indução Du-plamente Alimentado como Gerador Eólico (TAVARES, 2017). Disponível em: https://bit.ly/2XUdvJs. Acesso em: 17 jul. 2021.

NOTA

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Chamamos de rotor a parte da máquina que possui uma certa velocidade angular em relação ao estator.

ATENCAO

Para construir um estator, utilizamos lâminas de aço magnético, as quais ficam empilhadas para reduzir ao máximo as perdas por corrente de Foucault e histerese magnética. O núcleo é constituído de um material com alta permeabilidade magnética, para facilitar a formação de um alto campo magnetico e forças eletromotrizes baixas. O enrolamento do estator da máquina se liga à rede elétrica trifásica, assim, temos um enrolamento trifásico chamado de enrolamento de campo primário. O enrolamento trifásico do estator é constituído de três bobinas defasadas de 120o mecânicos, que podem ser ligadas em estrela ou triângulo.

Nos motores de indução, podemos encontrar o rotor bobinado e o gaiola de esquilo. O rotor gaiola de esquilo possui os anéis em curto-circuito e um conjunto de barras condutoras feitas de alumínio, cobre ou latão.

Devemos compreender também, que os anéis e as barras formam uma única peça. Além disso, as barras condutoras são encaixadas dentro de ranhuras na própria superfície do rotor.

O rotor gaiola de esquilo possui esse nome porque os seus condutores são semelhantes a rodas, em tais condutores, os esquilos correm “fazendo exercícios”.

INTERESSANTE


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FIGURA 10 – ROTOR GAIOLA DE ESQUILO

FONTE: <https://shutr.bz/2XIApDS>. Acesso em: 16 jul. 2021.

O rotor denominado bobinado possui um conjunto completo de enrolamentos trifásicos parecidos com os enrolamentos do estator. Os enrolamentos desse rotor ficam em curto-circuito por meio de escovas apoiadas nos aneis deslizantes, e as correntes no rotor são acessadas por escovas. Por esse motivo, eles são menos utilizados.

FIGURA 11 – ROTOR E ESTATOR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO

FONTE: <https://bit.ly/3ksHErT>. Acesso em: 13 jul. 2021.

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A velocidade do rotor pode ser expressa de dois modos: em radianos por segundo ou NR em rotações por minuto. Precisamos notar que a velocidade angular do rotor no motor de indução é menor do que a velocidade angular do campo magnetico girante do entreferro, ou seja, não são iguais, e por essa razão, provoca um escorregamento, isto é, a diferença de velocidade, como demonstra a equação a seguir:

Nesse caso, s é o escorregamento, NR é a velocidade angular do rotor e NS é a velocidade do campo magnético girante estabelecido no entreferro.

As correntes trifásicas do motor de indução com gaiola de esquilo, quando circulam no estator após uma aplicação de tensão trifásica, produzem um campo magnético girante, BS, o qual gira em sentido anti-horário. A velocidade de rotação desse campo magnético (nsinc) é dada pela equação:

Nesse caso, fse e a frequência em hertz do sistema aplicada ao estator, e P é o número de polos da máquina.

A tensão induzida provocada pelo campo magnetico, que atravessa as barras do rotor, pode ser calculada pela equação a seguir:

Sendo assim, V é a velocidade da barra em relação ao campo magnético, B e o vetor densidade de fluxo magnetico e l é o vetor que representa o comprimento do condutor dentro do campo magnético.

Em um motor de indução com rotor gaiola de esquilo, o escorregamento não pode ser superior a 5%.

IMPORTANTE


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Se considerarmos o formato da espira retangular, devemos calcular a tensão induzida em cada um dos segmentos e realizar a soma.

Caso haja variação no número de polos, ou até mesmo na frequência de uma rede elétrica, também há alteração na velocidade de rotação mecânica. Com construções diferentes, é possível ter mais de uma velocidade de rotação. Para que isso ocorra, é necessária uma variação do número de polos, mas esse não é o modo mais comum, pois para realizar o controle de velocidade, normalmente utilizamos os inversores de frequência.

Quando alimentados o circuito de enrolamento do estator com uma fonte trifásica CA, considerando que o enrolamento do rotor está em aberto, surgirá um campo magnético girante no entreferro que irá apresentar a mesma frequência síncrona de rotação e induzirá tensão no enrolamento do rotor na mesma frequência.

Diferentemente dos motores síncronos, a partida dos motores de indução, em muitos casos, pode ser realizada ligando-os diretamente na linha de potência. No entanto, existem alguns motivos para que não se dê partida dessa maneira, por exemplo, a corrente de partida pode causar uma queda de tensão temporária no sistema de potência.

Nos motores de indução com rotor bobinado, a partida e realizada inse-rindo resistências no rotor, procurando manter a corrente baixa, diferentemente do que acontece nos motores com gaiola de esquilo, nos quais a corrente de par-tida pode variar amplamente.

Devido a essa característica, esse tipo de motor possui na placa de identificação uma letra de código para especificar os limites de corrente que o motor pode consumir na partida. Esses limites são dados em termos da potência aparente de partida do motor em função da sua especificação nominal de potência (HP). A potência aparente do motor pode ser obtida por:

Spartida = (potência nominal em HP) (fator da letra de código)

A tensão induzida em uma máquina depende de alguns fatores, como o fluxo da máquina, a velocidade angular da espira, as características construtivas da máquina e o número de espiras.

ATENCAO

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E a corrente de partida, pela equação a seguir:

Adiante, iremos verificar uma tabela com as letras de código NEMA, indicando os quilovolts-amperes por HP do valor nominal de partida de um motor:

TABELA 3 – LETRAS DE CÓDIGOS NEMA

FONTE: CHAPMAN (2013, p. 358).

3 CIRCUITO EQUIVALENTE E ANÁLISE DAS MÁQUINAS DE INDUÇÃO

Para estudar uma máquina de indução, assim como estudamos os transformadores, podemos utilizar um circuito eletrico equivalente, porque nos traz mais segurança, já que suas propriedades são conhecidas, alem de ser possível aplicar diretamente as equações fundamentais da eletricidade.

Um dos motivos para obter o circuito equivalente de um motor de indução é determinar a resposta do motor quando existem mudanças de carga. Esse modelo é usado para uma máquina real, então, é preciso determinar os valores dos elementos que irão fazer parte desse modelo de circuito.

Se prestarmos atenção, notaremos que a máquina de indução é muito parecida com um transformador, pois sem conexão física, a energia presente no estator (análogo ao primário do transformador) induz tensões e correntes no rotor (análogo ao secundário do transformador com carga).


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No entanto, há uma diferença entre a frequência induzida no estator e a induzida do rotor. Se o rotor estiver parado, a frequência será a mesma do estator, caso contrário, podemos calcular a frequência do sinal induzido do rotor pela equação:

Assim, f2 e a frequência do sinal induzido no rotor, f1 a frequência do sinal de excitação do estator e s e o escorregamento da máquina.

O circuito elétrico equivalente da máquina de indução trifásica tem como diferença, em relação aos transformadores, a substituição do ramo de força por um ramo conversor de energia elétrica em energia mecânica. O ramo conversor de energia de um conversor de indução rotativo tem um valor de conjugado, dado:

Desse modo, Psaída é a potência entregue à carga associada à potência, a qual e dissipada nos atritos mecânicos e na ventilação da máquina, e ωR é a velocidade angular do rotor, dada por:

Ou seja, ωmec é a velocidade angular do campo magnético.

A velocidade angular do sinal elétrico que chega ao enrolamento da armadura e a velocidade angular do campo magnético estão relacionados com a equação a seguir:

No circuito elétrico equivalente, as perdas são estudadas por fase, assim em um circuito trifásico, temos:

Para representar o circuito equivalente de um motor de indução, devemos começar representando o circuito do estator. Como vimos anteriormente, temos a tensão terminal por fase, V1, a resistência do enrolamento, R1, e a indutância de dispersão, que produz uma reatância de dispersão X1. No núcleo de ferro ocorre os fenômenos magnéticos, os quais também devem ser representados. No circuito equivalente, esses fenômenos são apresentados por Xm, representando a reatância de magnetização e a resistência, Rc, representando as perdas pelas correntes de Foucault.

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O circuito do rotor, alem disso, possui alguns parâmetros definidos por uma resistência R’2 em série com uma reatância X’2, no circuito X’2 = a2 X2 e R'2 = a2 R2.

A seguir, veremos o circuito equivalente completo da máquina de indução, ou seja, os circuitos do estator e rotor:

FIGURA 12 – CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA DE INDUÇÃO

FONTE: A autora

A seguir, observaremos o circuito recomendado pelo IEEE. Tal circuito é utilizado quando a reatância de dispersão X1 for significativa, de um modo que o deslocamento da reatância Xm afete os valores de tensão e corrente nessa reatância.

FIGURA 13 – CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO DA MÁQUINA DE INDUÇÃO

FONTE: A autora

4 ENSAIO PARA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS

Agora, é necessário descobrir como determinar os parâmetros R1, R’2, X1, X’2 e XM de um motor real. Essas informações são obtidas executando testes ou ensaios. Os testes são bem parecidos com os ensaios de curto-circuito e a vazio de um transformador.


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É muito importante atentar para o fato de que os ensaios devem ser realizados em condições controladas, pois, como sabemos, as resistências variam com a temperatura, e a resistência do rotor com a frequência do rotor.

4.1 ENSAIO SEM CARGA OU A VAZIO

O ensaio a vazio e utilizado para medir as perdas rotacionais do motor e tambem para fornecer a informação sobre sua corrente de magnetização. Esse ensaio e realizado com tensão nominal. O motor deve permanecer ligado durante um tempo com operação em vazio para lubrificar os mancais. Somente após esse tempo é medido a tensão, a corrente e a potência ativa absorvida. Quando o motor gira em vazio, o escorregamento fica praticamente nulo. O pequeno conjugado que é gerado serve para compensar as perdas rotacionais.

FIGURA 14 – CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ENSAIO SEM CARGA

FONTE: A autora

No circuito de teste para o ensaio a vazio, será utilizado wattímetros, um voltímetro e três amperímetros conectados a um motor de indução. Esse motor irá girar livremente, ou seja, a única carga no motor são as perdas por atrito e ventilação.

Cabe lembrar que o modelo de circuito equivalente se aplica por fase, portanto, o modelo completo do motor inclui três circuitos, como os descritos defasados em suas grandezas elétricas de 120 graus.

ATENCAO

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FIGURA 15 – CIRCUITO PARA O ENSAIO SEM CARGA

FONTE: A autora

Desse modo, conhecendo-se a potência de entrada do motor, podemos determinar as perdas rotacionais da máquina. A conexão apresentada de dois wattímetros para medida de potência, sendo permitida pelo teorema de Blondel, para cargas polifásicas equilibradas.

4.2 ENSAIO CC PARA A RESISTÊNCIA DE ESTATOR

Para tal tipo de ensaio, utiliza-se um motor de indução de qualquer porte disponível. A resistência R2’ é a resistência do rotor, muito importante para o funcionamento do motor de indução, pois, a partir dela, forma-se o gráfico que representa a curva de conjugado X velocidade. Essa curva determina a velocidade na qual o conjugado máximo ocorre.

O ensaio CC determina o valor do R1. Tal ensaio consiste em uma tensão CC aplicada aos enrolamentos do estator de um motor de indução. Utilizando CC, o valor da reatância do motor e nula e não há tensão induzida no rotor. Assim, a única grandeza que pode limitar o fluxo de corrente no motor e a resistência de estator.

No circuito para a realização do ensaio em curto-circuito que podemos observar, temos representado um motor de indução ligado em Y e uma fonte de tensão CC conectada a dois dos três terminais desse motor.

O ensaio de rotor bloqueado é usado para determinar a resistência total do circuito do motor. Para obter com precisão a resistência R

2’, é preciso conhecer R

1, para que

ela seja subtraída do total.

ATENCAO


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Portanto, no ensaio de curto-circuito, a tensão entre os terminais do estator é medida após a corrente nos enrolamentos do estator ser ajustada para o valor nominal, de modo que os enrolamentos fiquem com a mesma temperatura.

Analisando a imagem a seguir, podemos verificar que a corrente circula em dois dos enrolamentos. Sendo assim, a resistência total é 2R1, então, podemos encontrar R1 por meio da equação:

FONTE: A autora

Depois de encontrar o valor de R1, precisamos determinar as perdas no cobre do estator a vazio e as perdas rotacionais, por meio da diferença entre a potência de entrada a vazio e as perdas no cobre do estator. Devemos utilizar, então, apenas uma tensão alternada para determinar as resistências internas, pois os motores são equilibrados por construção, ou seja, os circuitos são iguais por fase.

4.3 ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO

O ensaio de rotor bloqueado de um motor de indução é parecido com o ensaio de curto-circuito do transformador. Ele tem como objetivo determinar o valor das reatâncias de dispersão e de resistência do enrolamento de rotor.

Neste ensaio, o eixo do motor é travado, enquanto o enrolamento do rotor é curto-circuitado. Um dos modos de travar o motor em laboratório é com a ajuda de uma barra, impedindo, assim, o movimento do eixo. Desse modo, a tensão é aplicada ao motor e mede-se a tensão, a corrente e a potência resultante.

Geralmente, aplica-se tensão de 10% a 20% de seu valor nominal. Vejamos, a seguir, o circuito equivalente para o ensaio de rotor bloqueado:

FIGURA 17 – CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO

FONTE: A autora

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Podemos observar as ligações usadas para realizar o ensaio com o rotor bloqueado. Para iniciar o ensaio, primeiramente, uma tensão alternada é aplicada ao estator. O próximo passo é ajustar a corrente para um valor próximo de plena carga. Por fim, mede-se a corrente, a tensão e a potência do motor.

O ensaio de rotor bloqueado exige que o eixo seja preso por algum esquema de freios. Nesse caso, um motor de menor porte facilita o experimento, caso o teste seja apenas para fins didáticos, então, um freio com uma alavanca de sapatas e suficiente para conter o movimento. Em uma situação mais preparada, o freio pode ser a disco, acionado por uma alavanca.

FIGURA 18 – CIRCUITO PARA O ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO

FONTE: A autora

Nesse ensaio, o rotor não se move, portanto, o escorregamento é igual a 1. Assim, R2’/s e igual a R2’. Já que os valores de R2’ e X2 são bem pequenos, praticamente toda a corrente de entrada irá circular por elas, de modo que irá passar pela reatância de magnetização, pois e bem maior.

A potência, a tensão e a corrente de entrada devem ser medidas antes que o rotor aqueça muito. A potência de entrada do motor é calculada por:

O valor da impedância total do circuito do motor (rotor bloqueado) pode ser calculado por meio da equação a seguir:

E o fator de potência é calculado por:


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Assim, Φ e o ângulo da impedância total. Desse modo, temos em:

Já a resistência para o rotor bloqueado é dada pela equação:

E a reatância, pela equação:

Nesse caso, X1’é a reatância do estator e X2’ é a reatância do rotor na frequência do ensaio. Agora, podemos calcular a resistência R2 da maneira a seguir:

Sendo assim, R1 é determinada no ensaio CC.

Por fim, a reatância total do rotor referida ao estator pode ser encontrada pela equação:

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RESUMO DO TÓPICO 2


• O formato da máquina de indução depende da função para a qual é construída, podendo funcionar como motor, freio e gerador.

• Utilizar um circuito eletrico equivalente traz mais segurança, uma vez que suas propriedades são conhecidas. Assim, podemos aplicar diretamente as equações fundamentais da eletricidade.

• O circuito equivalente de um motor de indução e utilizado para determinar a resposta do motor (quando ocorre mudanças de carga).

• Os ensaios realizados na máquina de indução são semelhantes aos realizados nos transformadores.

• É possível realizar um ensaio a vazio e outro com rotor bloqueado em uma máquina de indução, buscando determinar alguns parâmetros importantes.

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1 Os motores de indução, diferentemente dos motores síncronos, não apresentam problema de partida. Em muitos casos, inclusive, a partida desses motores pode ser feita ligando-os diretamente na linha de potência. Entretanto, existem motivos para não recorrer esse tipo de ligação. Sobre os motores de indução, assinale a alternativa CORRETA que apresenta a potência aparente de um motor de indução trifásico de 20 HP, 250 V e letra de código H.

a) ( ) 142kVA.b) ( ) 1800 kVA.c) ( ) 20kVA.d) ( ) 250kVA.

2 Os motores eletricos de indução trifásico são muito utilizados nas grandes máquinas industriais. Eles possuem duas partes, o rotor e o estator. Portanto, é rotativo e funciona por meio de corrente elétrica alternada, assíncrona. Com base na teoria dos motores de indução, analise as sentenças a seguir:

I- Uma das características construtivas do motor trifásico de indução, diz respeito aos enrolamentos do estator, os quais são conectados a uma fonte trifásica equilibrada, e os enrolamentos do rotor, curto-circuitados.

II- No teste a vazio realizado em um motor de indução trifásico, o eixo gira sem carga e o escorregamento para essa situação é praticamente igual a um.

III- O motor de indução trifásico atinge velocidade nominal no ensaio com o rotor bloqueado.


a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença I está correta.

3 Para que o motor elétrico de indução trifásico funcione corretamente, ele irá depender de algumas informações, por exemplo, o tipo de carga do motor, a tensão constante de alimentação dessa carga, a velocidade, a potência do motor, o rendimento e outros fatores. De acordo com a teoria das máquinas de indução, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) A potência medida no ensaio a vazio de um motor de indução representa as perdas magnéticas, e por atrito, ventilação.

( ) O motor de indução trifásico não atinge velocidade nominal no ensaio com o rotor bloqueado.

AUTOATIVIDADE

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( ) Com o teste do rotor bloqueado em um motor de indução, podemos calcular todos os parâmetros apresentados no circuito equivalente completo.



4 Nos motores de indução com gaiola de esquilo, a corrente de partida pode variar largamente. Para ajudar os usuários, esse tipo de motor possui em sua placa de identificação uma letra de código para especificar o limite de corrente que aquele motor poderá consumir na partida. Sobre os motores de indução, assinale a alternativa CORRETA que apresenta o valor da corrente de partida de um motor de indução trifásico de 25 HP, 220 V e letra de código F.

5 Um motor de indução apresenta, fisicamente, o mesmo estator de uma máquina síncrona, porém a construção do rotor é diferente. Chamamos de rotor a parte da máquina que possui uma certa velocidade angular em relação ao estator. Descreva o cálculo da velocidade síncrona do motor de indução trifásico com rotor gaiola de quatro polos, 8 HP, 220 V, 50 Hz, fator de potência 0,75 e rendimento 0,9, operando com escorregamento de 3%.

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CLASSES DE MOTORES DE INDUÇÃO

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 3, abordaremos inicialmente as normas e as especificações dos motores, afinal, um motor, quando opera de forma adequada, tem a sua durabilidade maior.

Em seguida, veremos as classes dos motores, criadas pela NEMA, nos Estados Unidos e pela International Electrotechnical Comission (IEC), na Europa. Ambas definiram de forma padronizada um conjunto de classes de projeto por meio de várias curvas de conjugado X velocidade.

Por fim, iremos conhecer as aplicações que envolvem os motores de indução.

2 NORMAS E ESPECIFICAÇÕES

Um motor bem especificado significa que em condições operacionais normais, a carga e acionada de forma adequada. Para determinar as especificações de forma correta, precisamos conhecer as características da carga. De acordo com Filippo Filho (2013), essas características são:

• tipo de carga e característica operacional;• potência mecânica nominal;• rotação nominal;• curva do conjugado resistente;• características do acoplamento;• momento de inércia;• regime de funcionamento;• forças axiais e radiais atuantes sobre o motor.

Depois dessas primeiras informações, as próximas se referem à tensão e frequência nominal, ou seja, às características elétricas da rede de alimentação. Após todas essas informações, podemos realizar uma pre-seleção do motor, isto é, determinaremos a potência mecânica e o número de polos, e logo em seguida, veremos a capacidade do motor de acelerar a carga no tempo previsto, para que, assim, evitemos o sobreaquecimento das bobinas.

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O terceiro bloco de informações se refere às condições do ambiente, como temperatura, condições de poeira, umidade e altitude. Também é necessário identificar o grau de proteção do motor (IP), e algumas vezes, uma revisão da potência mecânica, da classe de isolamento e do fator de serviço. Após determinar esses parâmetros, e preciso especificar o tamanho da carcaça e o sentido de rotação.

3 TIPOS DE CLASSES

Com a variação das características dos rotores (dos motores de indução), é possível criar uma série de curvas de conjugado versus velocidade. Contudo, devido ao grande número de possibilidades em relação aos motores de potência elevada, a NEMA e a IEC padronizaram e definiram o que chamamos de classes de projeto. Consideremos, por exemplo, que um motor individual pode ser reconhecido como um motor da classe X. Na placa do motor trifásico, encontra-se, então, a letra do projeto. Vejamos mais detalhadamente:

• Classe de projeto A: o motor tem barras do rotor grandes, por esse motivo, precisa de uma alta corrente de partida e torque moderado de partida, mas quando próximo da velocidade nominal, o torque é elevado. Devido ao tamanho das barras do rotor, esse tipo de motor mantém a velocidade a plena carga próxima da velocidade síncrona, mantendo a sua carga a uma velocidade praticamente constante. O motor com projeto A sobreaquece mesmo abaixo de sua classificação na placa de identificação, isto e, possui um torque maior em velocidade baixa. Apresenta, também, alta potência de saída, mas perde um pouco da eficiência em decorrência do escorregamento do rotor, mesmo assim, a curva de torque é parecida com a de um motor de alto rendimento. Para especificações equivalentes, o escorregamento a plena carga dos motores da classe A deve ser sempre 5% menor do que o escorregamento de um motor da classe B.

• Classe de projeto B: esse tipo de motor e o padrão utilizado na indústria, de modo que possui torque de partida médio e corrente de partida moderada. A plena carga, o motor projeto B tem velocidade menor a plena carga do que o projeto A, além dos motores de alto rendimento. Os motores da classe B substituíram os motores da classe A.

• Classe de projeto C: os motores de classe de projeto C possuem um torque de partida e um escorregamento mais alto do que o motor da classe B, porém, inferior a 5%. Sobre o rotor, as suas barras possuem dois tamanhos, sendo que a parte menor fornece ao rotor um alto torque de partida, e a parte mais profunda reduz o escorregamento. A corrente de partida e moderada e mais susceptível a quebra, devido ao material das barras (cobre ou bronze). Os rotores são do tipo dupla gaiola de esquilo, mas são mais caros do que os motores das classes anteriores. Essa classe e utilizada quando há cargas com elevados conjugados de partida, por exemplo, bombas e compressores.

TÓPICO 3 — CLASSES DE MOTORES DE INDUÇÃO

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• Classe de projeto D: os motores dessa classe são utilizados para cargas que exigem um torque de partida muito alto, mas não próximo da velocidade nominal. O escorregamento a plena carga é na ordem de 7 a 11%, podendo chegar acima de 17%. O motor de projeto D pode acionar cargas de volante pesadas, sem apresentar um calor excessivo, até atingir a velocidade nominal. Por exemplo, uma guilhotina de metal que armazena potência no peso no movimento do volante. O torque e a corrente não são excessivamente elevados quando a velocidade do motor e reduzida, suportando grandes oscilações de RPM sem produzir muito calor nos enrolamentos do estator. Os motores da classe D são basicamente os motores de indução da classe A, em que as barras do rotor são menores e o material possui uma resistividade maior. Algumas aplicações são: os grandes volantes usados em prensas de perfuração, estampagem ou corte (CHAPMAN, 2013).

Existem também as classes de motores E e F, conhecidos como motores de indução de partida suave, e tais classes eram reconhecidas pela NEMA, mas hoje estão em desuso.

4 APLICAÇÕES

O motor de indução trifásico e o mais utilizado em aplicações industriais. As aplicações desse tipo de motor são bem vastas, de modo que tais motores podem ser usados em manufatura e produção, estando também presentes nos predios e nas residências, realizando tarefas como acionamentos de ventiladores, elevadores, bombas, compressores e esteiras.

As informações mais importantes são: a potência mecânica e a rotação exigidas pela carga. Com essas informações, conseguimos encontrar a potência e a rotação do motor. Um ponto importante é que a rotação da carga e a rotação do motor podem ser bem diferentes, caso entre eles exista algum dispositivo de acoplamento que varie a velocidade.

Os motores são utilizados para três finalidades: deslocamento de fluídos, manipulação de cargas e processamento de materiais.

Para selecionarmos o tipo de motor de indução, devemos, primeiramente, conhecer o tipo de carga que o motor acionará.

ATENCAO

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No deslocamento de fluidos, a realização ocorre com ventiladores, bombas e compressores. Segundo Filippo Filho (2013), de modo geral, a potência da carga será proporcional ao produto da vazão do fluído pela diferença de pressão entre a saída e a entrada da máquina.

Para determinar a potência, no caso de compressores, a temperatura é importante e a manipulação de cargas e realizada por talhas, guinchos, escadas e/ou pontes rolantes, elevadores etc. Nesses exemplos, a potência mecânica, na maioria das vezes, e proporcional ao produto da força pela velocidade.

Além disso, podemos dividir o processamento de materiais em metálicos e não metálicos. Alguns exemplos de máquinas que fazem o processamento de materiais são: máquinas operatrizes, moinhos, máquinas agrícolas, entre outras. A potência mecânica para essas máquinas é obtida por meio do produto da força exigida pelo processamento e a velocidade de processamento.

Quando se trata de movimento rotativo ou circular, o conjugado mecânico possui uma analogia com a força em movimento retilíneo, do mesmo modo que a velocidade angular tem com a velocidade linear. Após determinarmos a potência mecânica e a rotação da carga, obteremos a potência e a rotação do motor. A potência mecânica da carga e do motor é dada pela equação:

Assim, ηAC e o rendimento mecânico do acoplamento.

Um motor aciona uma carga de forma adequada quando o seu conjugado for igual ao conjugado exigido pela carga (conjugado resistente).

Como já observamos, a máquina de indução funciona como motor, gerador e freio, desse modo, o que determina as operações é a velocidade. Então, se o rotor girar com velocidade menor do que o campo girante do estator na mesma direção, a máquina funcionará como motor. Para a máquina funcionar como gerador, basta que o rotor gire com uma velocidade maior que a do campo magnético girante, também na mesma direção. E quando o rotor gira na direção oposta do campo magnético do estator, temos o modo freio.

Existem, ainda, outras aplicações importantes que utilizam motores, como o deslocamento de fluídos, ocorrendo em diferentes atividades industriais, comerciais, rurais e ate nas residências. A máquina capaz de realizar o deslocamento de fluídos incompressíveis e conhecida como bomba. Além do deslocamento do fluído para consumo, tambem existe o deslocamento para a realização de processo, como nos sistemas óleo-hidráulicos. Geralmente, as bombas são


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acionadas pelos motores de indução. Desse modo, as bombas transformam a energia mecânica recebida do motor em energia para deslocamento dos fluídos. A potência mecânica, PMEC, exigida pelo motor que aciona a bomba é dada pela equação:

Assim, γ e o peso específico do fluido dado em kgf/m3, Q e a vazão do fluído dado por m3/s, H e altura de elevação dado em m, e ηb e a eficiência.

Uma das máquinas mais simples para suspensão de peso é o sarilho, ou seja, um cilindro no qual é enrolado um cabo de suspensão.

A potência mecânica depende da velocidade de içamento e do peso, podendo ser calculada da maneira a seguir:

PMEC = P . v

Assim, P é o peso, e v a velocidade.

Na imagem a seguir, temos a apresentação do rotor e do enrolamento de um motor de indução de 480V usado em uma indústria.

Os motores de indução com rotor de gaiola são utilizados para o acionamento de pequenos elevadores, guindastes, sistemas transportadores por correia, talhas, guinchos e escadas rolantes.

ATENCAO

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Os motores de indução tambem são muito utilizados no acionamento de máquinas para processamento de materiais. Além disso, podemos dividir o processamento de materiais em: materiais metálicos e não-metálicos.

Por fim, as máquinas de processamento se baseiam no acionamento hidráulico ou pneumático. Nesses casos, o motor de indução irá acionar uma bomba ou um compressor, sem aplicação direta ao processamento.

FONTE: <https://shutr.bz/3u4NxPp>. Acesso em: 18 jul. 2021.

FIGURA 19 – ROTOR E ENROLAMENTO DO MOTOR DE INDUSTRIAL


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MOTORES EFICIENTES NA INDÚSTRIA

Roberval Bulgarelli

As atividades industriais requerem quase sempre um motor robusto, de alta confiabilidade, boa eficiência, que reaja bem a variações de carga, e de baixo custo, alguns processos requerem variação de velocidade, com um bom controle, e áreas classificadas exigem um equipamento que não provoque centelhas. Há máquinas que existem em praticamente qualquer tipo de indústria, e o motor que melhor tem se adaptado a todo tipo de serviço é o motor de indução trifásico, com rotor em gaiola de esquilo. De construção robusta, sem partes faiscantes, com rendimento na casa de 90% (facilmente superando este valor para potências maiores), exigindo quase nenhuma manutenção, barato, tem poucas desvantagens: não varia a velocidade, operação degradada em baixa carga (baixos rendimento e fator de potência), alta corrente de partida.

O maior obstáculo para algumas aplicações foi a variação de velocidade, quando perdia em muito para o motor de corrente contínua, motor caro, que exige muita manutenção e cuidado. A solução veio há mais de 20 anos, com o avanço da eletrônica de potência, que produziu os conversores de frequência, equipamentos que convertem a corrente alternada da rede de frequência fixa (no Brasil, 60 Hz) em variável (que pode ir de 6 a 120 Hz). Adicionalmente, esta aplicação pode tambem servir para economizar energia.

O MIT, motor de indução trifásico, responde por 75% dos motores existentes no Brasil – dos 25% restantes, grande parte e de motores menores que 1 cv, monofásicos, com aplicação em equipamentos residenciais como geladeira, ar-condicionado, máquina de lavar, ventiladores etc. – mas na indústria, este número é seguramente maior.

Um motor é dimensionado pela carga mecânica que acionará, mas é comum haver incertezas sobre esta carga no momento do dimensionamento, ampliações ou situações que peçam um pouco mais de potência. Além do mais, fora o aspecto do rendimento, não há inconveniente técnico para um motor sobre dimensionado também operar com baixo fator de potência, sendo em muitos casos o responsável por multas observadas na fatura.

Os motores elétricos existem há pouco mais de um século, e quando surgiram, eram grandes, pesados e custavam caro. Ao longo do tempo, foi-se reduzindo seu custo de fabricação, com menos ferro, menos cobre, alem de melhores materiais e tecnicas de construção. A busca por eficiência energetica levou a motores com maior custo de fabricação, mas com menor custo de vida útil, motores de alto rendimento, com desempenho otimizado pelo uso de

LEITURA COMPLEMENTAR

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chapas magnéticas de melhor qualidade, maior volume de cobre, enrolamentos especiais, núcleos dos rotores e estatores tratados termicamente, melhor desenho da ventilação, entre outras modificações. Essas melhorias tornaram o motor de alto rendimento cerca de 20% a 30% mais caros, só que a sua utilização em lugar de um motor padrão pode ser economicamente viável, em função do custo de energia economizado ao longo de sua vida útil, já que o custo da energia eletrica consumida por um motor chegar a mais de 100 vezes o seu preço de aquisição.

É quase sempre viável, economicamente, instalar um novo motor de alto rendimento em comparação com um motor tradicional, pois, a diferença de investimento é apenas entre os custos dos dois motores, mas pode não ser compensador em casos com baixíssima utilização do motor em questão. Para a troca de um motor já existente, o investimento a ser considerado é não só o custo total do motor de alto rendimento, mas também o custo de o colocar em funcionamento: estudo, compra, frete, instalação, eventual mudança no circuito elétrico, mão-de-obra para troca e condicionamento.

Para a implantação de motores de alto rendimento, supondo a troca imediata, o investimento é alto quando a vida útil remanescente do motor existente não e aproveitada. Quando se considera, no entanto, que a troca e feita ao final da vida útil dos motores existentes, o ganho aumenta consideravelmente e essa diferença destaca a importância de se conduzir um estudo de forma integrada ao chão de fábrica.

A adoção de umas poucas políticas públicas favoreceu, de fato, a exploração do potencial de conservação de energia em motores. Mas os estímulos poderiam ser maiores. Considerando as verbas do PEE (Programa de Eficiência Energetica da Aneel), operacionalizado pelas concessionárias de energia que são responsáveis pelo maior volume de investimentos que se realiza em eficiência energética, a indústria não parece ser prioridade nos programas governamentais, ainda que, conforme já evidenciado pela própria Aneel, a indústria é o maior consumidor e recebe uma parcela muito pequena dos investimentos. Mas como bem lembra Fernando Garcia, diretor de vendas de motores para a América do Sul da WEG, o Propee (Procedimentos para Projetos de Eficiência Energetica), de julho/2013, e um bom exemplo, pois atuou neste ponto de forma a beneficiar os


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maiores consumidores de cada distribuidora na divisão das verbas, onde se insere a indústria, “um grande avanço, mas na prática são muito poucos os editais com verbas significativas à disposição das indústrias. ”

A Eletrobrás exerce, por delegação interministerial, a Secretaria Executiva do Procel (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica), sob a coordenação do Ministério de Minas e Energia. E no segmento industrial, a Eletrobrás, por meio do Procel, já implementou uma rede com 14 laboratórios nas cinco regiões do país, que por sua vez vêm contribuindo com ações de pesquisa, desenvolvimento, extensão e inovação tecnológica relacionadas ao uso eficiente da energia eletrica em sistemas motrizes. Essa rede de laboratórios se destaca por ser uma das maiores e mais abrangentes entre todas as redes já desenvolvidas no âmbito do Procel. Destaca-se também a atuação do Procel na capacitação de mais de 2.907 profissionais de 690 indústrias de grande e medio porte, alem de diversas ações conjuntas com o Sebrae e outras associações, com o objetivo de acelerar e perenizar a implementação dos projetos de eficiência energetica voltados para a indústria. “O estudo realizado em 2009 identificou que 82% das oportunidades de economia de energia na indústria estão nos processos térmicos, estando o restante (18%) relacionado ao consumo de eletricidade. Portanto, conforme prevê o mesmo estudo e esses dados, o Procel se destaca como um dos programas mais exitosos no segmento industrial para a redução do consumo de eletricidade”, afirma Marcel da Costa Siqueira, gerente da Divisão de Eficiência Energetica no Setor Público da Eletrobrás.

Como lembra o executivo da WEG, a economia de energia em ações de eficiência energetica no setor industrial gera benefícios para toda a sociedade, porque se a indústria tiver menor custo de produção, poderá ser muito mais competitiva, vendendo mais e mais barato. Isto se reflete na sociedade em menores custos de aquisição, mais empregos e em maior retorno pela arrecadação. “Uma indústria nacional competitiva exportará e crescerá em vez de diminuir, como tem sido usual em muitos segmentos. Por ser o maior consumidor de energia, as ações de eficiência energetica na indústria são as que têm o maior potencial de adiar e evitar investimentos em novas gerações de energia, o que se reflete nas tarifas, alem de, claro, liberar mais energia para o sistema como um todo”, diz Fernando Garcia.

Marcel concorda e acrescenta, ainda, a contribuição para a modicidade tarifária, uma vez que a redução do consumo e da demanda de energia eletrica possibilita a postergação de investimentos no setor elétrico. Sem contar os benefícios ambientais, pois, apesar de a matriz energetica brasileira ser uma das mais limpas do mundo, sempre existem impactos ambientais associados aos processos de energia elétrica, incremento da segurança energética, o que na prática traz maior confiabilidade para o sistema eletrico nacional, e aumento da competitividade do país, pois reduz os custos dos processos.

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Não desmerecendo o que já foi feito, é fato que as iniciativas governamentais de eficiência energetica industrial precisam de maior impulso e ajuste. As ações focam bastante na energia elétrica, e um ponto fundamental que necessita ser destacado é que energia elétrica é a única forma de energia que está presente em 100% das indústrias. Assim, ações sobre a mesma são bastante abrangentes e atingem todas as empresas, não somente indústrias. Entretanto, é muito mais comum vermos programas de troca de lâmpadas, que geram resultados aparentes e visíveis, porém, não são os mais efetivos, já que os motores são os maiores consumidores de energia elétrica na indústria. Fernando Garcia aponta oportunidades como o PNEF (Plano Nacional de Eficiência Energetica), que possui boas análises e diretrizes, mas que está longe da aplicação prática, “uma boa notícia é o recente alinhamento de ações da Abesco e Aneel com o objetivo de organizar sua efetiva implantação”.

Para o executivo da Eletrobrás, o foco de atuação das iniciativas governamentais é um tema de grande complexidade e que deve ser discutido pelos diversos agentes do mercado para que a sua necessidade de ajuste seja analisada adequadamente, “entretanto, no segmento industrial, a Eletrobrás, por meio do Procel, tem atuado visando à remoção das principais barreiras relacionadas ao uso eficiente da energia eletrica, de modo a acelerar a realização dos potenciais tecnicos e econômicos de conservação de energia eletrica já identificados”.

Setores industriais intensivos em consumo de energia de países concorrentes do Brasil recebem apoio de seus governos para desenvolver projetos de eficiência energetica, países como China e Estados Unidos, por exemplo, possuem programas de bônus na compra de motores mais eficientes. São valores em yuan/CV ou dólar/CV com algumas variações em função do estado ou distribuidora de energia. O objetivo é retirar do mercado os motores elétricos ineficientes, por serem antigos e de projetos ultrapassados, e ainda podendo ter sido rebobinados. Isto se reverte em competitividade às suas indústrias.

Marcel concorda que ações de eficiência energetica trazem aumento da competitividade. E ressalta o impacto que o Selo Procel, Eficiência Energetica em Equipamentos, com ênfase em motores, teve no Procel Indústria, Eficiência Energetica Industrial, “o impacto e muito relevante, pois os sistemas motrizes são responsáveis por 68% do consumo de energia elétrica no setor industrial brasileiro e, segundo estudo Eletrobrás/CNI, tambem representam o maior potencial tecnico de conservação de energia elétrica. Por isso, o Procel Indústria atua não somente enfatizando a substituição de motores ineficientes por novos com Selo Procel. O foco de atuação e ampliado, uma vez que os sistemas motrizes envolvem alem dos motores propriamente ditos, as instalações elétricas, incluindo MPCC (medição, proteção comando e controle), transmissão mecânica, cargas acionadas (bombas, ventiladores, exaustores, compressor etc.), a instalação mecânica e o seu uso final. Cabe ressaltar que o motor elétrico é um elemento comum a todos os sistemas motrizes eletricos”.


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Fernando Garcia tambem acha que o Selo Procel e a Lei de Eficiência Energética, com relação a motores elétricos na indústria, foi de um resultado espetacular para motores novos, pois obriga que todo o motor que se enquadre na norma tenha de ser eficiente, “o problema e que, apesar de termos iniciado esta regulação na frente de muitos países, inclusive o Mercado Comum Europeu, hoje estamos perdendo largamente para várias regiões do mundo que já possuem regulação de níveis mínimos de eficiência superiores ao nosso, isto tudo acaba refletindo na competitividade da indústria. Mas o mais crítico ainda e que a Lei á válida somente para equipamentos novos, nada determinando sobre os equipamentos em operação na indústria e que podem ter níveis extremamente obsoletos de eficiência, os mecanismos de bônus no exterior citados atuam justamente neste foco, em promover a renovação do parque fabril. Aqui no Brasil, uma ação neste sentido seria muito interessante”.

Um estudo da PUC-RJ, de 2014, encomendado pela Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica, Abinee, mostrou que o reaproveitamento irregular de motores eletricos provoca um desperdício de 7 milhões de MWh/ano, valores calculados com base em dados recolhidos em 2012. À primeira vista, por serem mais baratos, pode parecer que o comprador está fazendo um bom negócio, mas a maioria destes motores já está obsoleta, apresentam vida útil muito curta e eficiência comprometida, o que representa um gasto de energia excessivo, muito acima do consumo dos motores regulamentados. Mas como justificar o investimento em motores mais caros?

“Eficiência energetica compete com outros possíveis investimentos da indústria e isto sempre foi um obstáculo. Mas se analisarmos as oportunidades é possível termos indicadores como TIR (Taxa Interna de Retorno) e VPL (Valor Presente Líquido), indicadores mais usuais, extremamente atrativos e que em nada perdem para outros investimentos possíveis”.

A economia mensurável na implantação de motores eficientes pode ser vista na tabela abaixo que reúne projetos implantados em diferentes segmentos:

Fernando Garcia conta que, ao contrário do ditado que diz que em casa de ferreiro, o espeto e de pau, na WEG todos os novos equipamentos implantados no processo seguem a determinação de níveis IR3 ou IR4, o que é superior à Lei que determina IR2 como rendimento padrão. “É um investimento que se paga facilmente. Quanto aos motores já instalados no parque fabril as substituições se iniciaram em 2008 e focaram as maiores potências para atuar mais rapidamente na redução da demanda”.

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Alem dos motores, tambem se realizou a automação de sis-temas com a aplicação de inversores de frequência, ação que, além de proporcionar uma economia de energia bem mais expressi-va traz tambem aumento de produtividade e redução de outros custos. Exemplos são a automação das torres de resfriamento e filtros de mangas que proporcionaram economias médias de 60% de energia elétrica nas torres, adi-cionalmente, uma economia média de 22% de água, insumo também muito crí-tico nos dias atuais e nos filtros se obteve aumento de ate três vezes na vida útil dos elementos filtrantes, com expressivas reduções de custos de manutenção”.

A WEG fornece linhas de motores com eficiência superior que já são co-muns em clientes dos mais variados segmentos. Mas a distribuição é muito hete-rogênea. Um ponto que dificulta o entendimento e a própria interpretação da Lei de Eficiência Energetica, ela determina hoje, como mínimo, o nível IR2, tambem chamado de Alto Rendimento. Isto confunde os usuários, pois os induz a pensar que Alto Rendimento é algo a mais, sendo que é somente o mínimo aceito pela norma. A figura a seguir mostra esta situação:

Mas a WEG sente que o interesse por motores mais eficientes cresce, ainda que o volume seja baixo, precisando apenas de maior consciência e conhecimento dos critérios na hora da escolha, considerando o custo operacional dos motores e não somente o seu custo de aquisição. De qualquer forma, este é hoje o segmento que mais cresce no país.

FONTE: Adaptado de <https://issuu.com/editora_valete/docs/ci211>. Acesso em: 13 jul. 2021.

https://issuu.com/editora_valete/docs/ci211

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RESUMO DO TÓPICO 3


• É possível determinar as especificações para um motor funcionar adequadamente.

• Com a variação das características dos rotores dos motores de indução, cria-se uma série de curvas de conjugado versus velocidade. Mas como são muitas possibilidades, os tipos foram padronizados, definindo-se as classes de projeto.

• Para selecionar o tipo de motor, é necessário, primeiramente, conhecer a carga.

• O motor de indução trifásico e o preferido para ser utilizado nas indústrias.

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CHAMADA

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1 O motor de indução trifásico possui diversas aplicações, podendo ser utilizado em manufatura e produção, tambem estão presentes nos predios e nas residências, realizando tarefas como acionamentos de ventiladores, elevadores, bombas, compressores e esteiras. Sobre os motores de indução, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Para escolher o tipo de motor, duas das últimas informações são a potência mecânica e a rotação exigida pela carga.

b) ( ) Para a determinação da potência, no caso dos compressores, a temperatura é o menos importante.

c) ( ) A potência mecânica da carga é dada por: PMECC = CC / ωC.d) ( ) Alguns exemplos de máquinas que fazem o processamento de materiais

são: máquinas operatrizes, moinhos, máquinas agrícolas.

2 No decorrer da transformação eletromecânica de energia, alguma potência é perdida internamente. Com base nas perdas de um motor de indução, analise as sentenças a seguir:

I- As perdas no cobre ocorrem devido à corrente que percorre o enrolamento do estator e do rotor.

II- As perdas no núcleo correspondem apenas às perdas por corrente parasita.

III- As perdas por atrito e ventilação ocorrem devido ao atrito na rotação da máquina e à ventilação.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) As sentenças I e II estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

3 O motor de indução trifásico possui algumas vantagens em relação aos outros motores, como o custo muito inferior em relação ao motor de CC de igual potência, além disso, a manutenção é mais simples, e o consumo de energia é menor nos processos de aceleração e frenagem. De acordo com a teoria do motor de indução, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Os motores de indução podem ser divididos nas classes A, B, C e D.( ) O motor classe B e o padrão utilizado na indústria, possui torque de

partida médio e corrente de partida moderada.( ) O tipo de motor classe A e utilizado para cargas que exigem um torque de

partida muito alto, mas não próximo da velocidade nominal.

AUTOATIVIDADE

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Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:a) ( ) V – V – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 Conhecer as normas e as especificações dos motores e fundamental, pois um motor, quando opera de forma adequada, aumenta a sua durabilidade. Para determinar as especificações de forma correta, e necessário conhecer as características da carga. Exemplifique pelo menos cinco características.

5 O deslocamento de fluídos ocorre em diferentes atividades industriais, comerciais, rurais e ate nas residências. As máquinas que realizam o deslocamento de fluídos são tidas como bombas, as quais, geralmente, são acionadas pelos motores de indução. Uma bomba deve elevar 40 m3/h de água a 70 metros de altura. As perdas de carga representem 12% da altura de elevação e o rendimento da bomba igual a 75%. Descreva o cálculo da potência de um motor de quatro polos para seu acionamento.

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REFERÊNCIAS

CHAPMAN, J. S. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: Grupo A, 2013.

FILIPPO FILHO, G. Motor de indução. 2. ed. São Paulo: Érica, 2013.

FREITAS, L. C. J.; SILVA, R. S. Máquinas elétricas. Londrina: Editora e Distri-buidora Educacional S.A., 2018.

HAND, A. Motores elétricos. Porto Alegre: Bookman, 2013.

NASCIMENTO, G. do. Máquinas elétricas. São Paulo: Érica, 2014.

SIMONE, G. A. Transformadores: teoria e exercícios. São Paulo: Érica, 2010.

TAVARES, M. M. Uso do gerador de indução duplamente alimentado como ge-rador eólico. 2017, 105f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrica) - Cen-tro de tecnologia e geociências, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2017. Disponível em: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/28108. Acesso em: 17 jul. 2021.

UMANS, S. D. Máquinas elétricas de fitzgerald e kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.

https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/28108

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UNIDADE 2 —

PRÁTICAS COM MÁQUINAS SÍNCRONAS


PLANO DE ESTUDOS


• entender o princípio de funcionamento de uma máquina síncrona;• fazer o diagrama fasorial de uma máquina síncrona;• realizar testes e ensaios de um motor síncrono;• compreender o funcionamento e as aplicações que envolvem um gera-

dor síncrono.


TÓPICO 1 – INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS SÍNCRONAS

TÓPICO 2 – TESTES E ENSAIOS

TÓPICO 3 – OPERAÇÃO DA MÁQUINA SÍNCRONA COMO GERADOR


CHAMADA

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 1, veremos que uma máquina síncrona é uma máquina elétrica cuja concepção permite a conversão de energia elétrica em mecânica e vice-versa. Esse tipo de máquina é uma fonte fundamental de geração de energia elétrica, pois representa quase 90% da potência gerada, por isso, devemos estudá-la.

Observaremos que quando a máquina síncrona realiza a conversão de energia elétrica em mecânica, ela passa a ser considerada como motor síncrono, e quando converte potência mecânica em potência elétrica, é denominada gerador síncrono. Dessa forma, podemos perceber que as máquinas síncronas são as fontes mais importantes de energia elétrica.

Em seguida, veremos que grande parte dos conversores eletromecânicos

de energia funcionam por movimentos rotacionais, da mesma maneira como funciona a máquina síncrona. Por fim, aprenderemos a fazer o diagrama fasorial e finalizaremos estudando acerca do funcionamento dos geradores síncronos, quando operam isoladamente ou em conjunto com outros geradores.

2 O QUE SÃO MÁQUINAS SÍNCRONAS?

Existem muitos tipos de motores, então, para estudá-los de maneira eficiente, foram divididos em duas partes: motores acionados por corrente contínua (CC) e motores acionados por corrente alternada (CA).

Os motores CA podem ser subdivididos em síncronos, assíncronos e especial. No caso dos motores assíncronos, eles são conhecidos como motores de indução, ou seja, aqueles cujo funcionamento é baseado na indução eletromagnética, semelhante aos transformadores.

TÓPICO 1 —

INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS SÍNCRONAS

UNIDADE 2 — PRÁTICAS COM MÁQUINAS SÍNCRONAS

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Os motores de indução são muito utilizados na indústria, isto é, estão presentes em 95% do setor industrial e 75% do total da potência instalada. Além disso, quando são utilizados para aplicações em alta potência, como nas indústrias de cimento, siderúrgica e outras, são fabricados em alta tensão. Entendemos como alta tensão os valores acima de 2000V (FILHO, 2013).

ATENCAO

As máquinas síncronas funcionam com corrente alternada, sendo que a rotação está relacionada ao número de polos magnéticos e à frequência da tensão gerada de forma direta. Devido a essas características, elas são semelhantes às máquinas de indução. Em relação ao seu uso, são bem utilizadas nos sistemas de geração de energia elétrica, funcionando como gerador ou compensador de potência reativa.

Podemos classificar as máquinas síncronas de acordo com o seu funcionamento em geradores síncronos, também conhecidos como alternadores, e podem ser de polos salientes ou polos lisos, ou ainda, turbos alternadores e motores síncronos. Um gerador transforma energia mecânica em energia elétrica, enquanto um motor transforma energia elétrica em mecânica.

Quanto às máquinas de indução, elas são semelhantes às máquinas síncronas, uma vez que ambas são conversores eletromecânicos rotativos de energia, de modo que funcionam com base na produção de campos girantes no entreferro. Apesar da semelhança, na máquina de indução, a corrente e a tensão são alternadas nos enrolamentos do estator e também do rotor, já nas máquinas síncronas, o estator é excitado em corrente alternada e o rotor em corrente contínua.

A seguir, podemos observar os tipos de motores síncronos de corrente alternada. Devemos notar que os motores podem síncronos, monofásicos ou trifásicos. Os monofásicos são classificados em relutância e histerese, e os trifásicos em polos salientes, polos lisos e ímã permanente.

TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS SÍNCRONAS

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FIGURA 1 – MOTORES CA SÍNCRONOS

FONTE: A autora

Sabemos, então, que a máquina síncrona e a máquina de indução são parecidas, mas uma das peças é idêntica, trata-se do estator, nele os enrolamentos são trifásicos, portanto, podem ser ligados de duas formas, em estrela ou triângulo. A diferença angular entre eles deve ser de 120°, que quando alimentados com tensão trifásica, produzem um campo magnético girante.

Já o rotor da máquina síncrona é bem diferente do rotor da máquina de indução, tanto na forma geométrica quanto no tipo de enrolamento. Na máquina de indução, o rotor é cilíndrico, com enrolamento polifásico, enquanto o da máquina síncrona pode ser de polos lisos (com enrolamento distribuído) ou salientes (com enrolamento concentrado). Os rotores de polos salientes, geralmente estão montados em um eixo vertical, o diâmetro é grande e o comprimento é pequeno.

Em relação à velocidade, nas máquinas primárias do gerador síncrono de polos salientes, ela é baixa e possui muitos polos. Nas máquinas de polos lisos, os rotores possuem eixo horizontal, tem diâmetro pequeno e comprimento grande. A velocidade do rotor pode ser alta e com poucos polos.

3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS

Além das diferenças estruturais, também podemos perceber algumas diferenças entre o funcionamento das máquinas síncronas ao operar como motor e como gerador.


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3.1 MOTOR

Nos motores síncronos, a corrente alternada alimenta a armadura do rotor. Já o rotor é formado por um enrolamento energizado, porém, a alimentação não é com corrente alternada, mas sim com corrente contínua, produzindo um campo constante no entreferro.

Esse campo gira segundo o campo girante produzido pela armadura. As correntes do estator produzem um campo girante e a corrente do rotor produz um campo constante, a interação entre os dois campos produz um conjugado mecânico que tentará alinhar os dois campos. A função do conjugado é fazer com que o rotor gire na mesma velocidade do campo girante, mas com um atraso angular. Quando aumentamos a carga mecânica, também há um aumento do ângulo entre os campos do estator e do rotor.

A partida dos motores síncronos e de indução é igual até os polos do estator e do rotor se acoplarem, ou seja, quando atingem a velocidade nominal. Nesse momento, a velocidade do rotor se torna igual à síncrona. No caso das máquinas comerciais, para permitir a partida, existe uma gaiola de esquilo.

Vejamos, a seguir, um motor elétrico síncrono, o qual atua com velocidade constante, resultado da interação entre os campos estáticos e magnéticos.

FIGURA 2 – MOTOR SÍNCRONO EM CORTE

FONTE: <https://shutr.bz/3EGE6KV>. Acesso em: 18 jul. 2021.

A frequência elétrica da equação da velocidade síncrona (fs), ou seja, a frequência de tensão gerada em Hz da máquina primária, deve ser calculada da seguinte maneira:


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Nesse caso, ns é a velocidade síncrona de rotação da máquina primária em rpm, e P é o número de polos da máquina, determinado pela construção. Uma diferença marcante da máquina síncrona para assíncrona está no fato de que a velocidade do rotor (velocidade mecânica) é igual a velocidade do campo girante (velocidade elétrica) na máquina síncrona.

FIGURA 3 – ESTATOR DE UM MOTOR SÍNCRONO

FONTE: <https://shutr.bz/2XJEYxj>. Acesso em: 18 jul. 2021.

3.2 GERADOR

Um gerador síncrono é constituído por um rotor movimentado por uma máquina primária, de modo que pode ser uma turbina hidráulica (ou a vapor) e um estator, gerando as correntes e tensões elétricas oriundas da conversão eletromecânica de energia.

O rotor ou o campo é alimentado por uma corrente contínua e colocado em movimento por meio de uma máquina primária acoplada ao seu eixo, e assim, temos um campo girante. Os condutores do estator produzem uma força eletromotriz induzida, e então, é criado um conjugado eletromecânico. Esse conjugado vai se opor à rotação do rotor, de maneira que um conjugado mecânico deve ser aplicado a partir de uma máquina primária acoplada ao rotor, para manter a rotação.


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FIGURA 4 – ROTOR DE UM GERADOR SÍNCRONO

FONTE: <https://shutr.bz/3CEnUrv>. Acesso em: 18 jul. 2021.

Podemos dizer que o rotor de uma máquina síncrona é considerado a fonte de campo magnético. Existem rotores com polos lisos ou salientes, e também com magnetos permanentes ou com eletroímãs. O gerador de ímã permanente é usado para desenvolver a tensão de excitação do rotor do alternador.

FIGURA 5 – GERADOR DE IMÃ PERMANENTE

FONTE: <https://shutr.bz/3hZzW7c>. Acesso em: 18 jul. 2021.

4 DIAGRAMA FASORIAL DA MÁQUINA SÍNCRONA

O diagrama fasorial é muito utilizado para analisar circuitos de corrente alternada, pois permite verificar a tensão e a corrente de forma simples e rápida, além de uma análise da defasagem. No caso das máquinas síncronas, também utilizamos o diagrama fasorial, porque tanto o motor quanto o gerador podem ser modelados por um circuito equivalente.


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4.1 MOTOR

Uma característica do motor de indução é apresentar um comportamento exclusivamente indutivo. Essa é uma característica importante que o diferencia do motor síncrono, já que esse último pode operar com fator de potência indutivo, capacitivo ou unitário, desde que seja ajustada a magnitude da corrente de campo. Quando aumentamos a corrente de campo, a tendência do motor síncrono é ir se tornando capacitivo.

Na sequência, temos o diagrama fasorial do motor síncrono operando com o fator de potência adiantado, ou seja, a corrente está adiantada em relação à tensão, portanto, capacitivo.

FIGURA 6 – DIAGRAMA FASORIAL DE UM MOTOR OPERANDO COM UM FATOR DE POTÊNCIA ADIANTADO

FONTE: A autora

Existe a possibilidade de um motor síncrono operar com o fator de potência adiantado para realizar a correção do fator de potência. A realização dessa operação gera para a indústria uma economia de custos, por esse motivo, esses motores têm sido mais utilizados.

Agora, vejamos o diagrama fasorial do motor síncrono operando com fator de potência atrasado, ou seja, a corrente está atrasada em relação à tensão, assim, são indutivos.

FIGURA 7 – DIAGRAMA FASORIAL DE UM MOTOR OPERANDO COM UM FATOR DE POTÊNCIA ATRASADO

FONTE: A autora


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4.2 GERADOR

Como já vimos, as tensões de um gerador síncrono são tensões em corrente alternada, e normalmente são expressas como fasores, ou seja, possuem módulo e ângulo. Então, um gerador pode ser representado pelo seu diagrama fasorial, isto é, um gráfico em que são representadas as tensões de uma fase: EA, Vϕ, jXSIA e RAIA, e a corrente IA dessa fase. O diagrama fasorial da máquina síncrona depende do tipo de operação da máquina, se motor ou gerador. Sendo assim, esse diagrama é obtido a partir do circuito equivalente do motor ou do gerador síncrono.

Temos, a seguir, a representação do diagrama fasorial de um gerador síncrono com fator de potência igual a um, ou seja, esse gerador é alimentando com uma carga somente de resistores. Todas as tensões e correntes são apresentados à Vϕ, e o ângulo é assumido como 0°.

FIGURA 8 – DIAGRAMA FASORIAL COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO DE UM GERADOR

FONTE: A autora

A diferença entre a tensão total EA e a tensão de terminal da fase Vϕ é dada pelas quedas de tensão, tanto resistivas quanto indutivas.

Quanto ao diagrama fasorial do gerador que funciona com fator de potência atrasado, podemos observar:

FIGURA 9 – DIAGRAMA FASORIAL DE UM GERADOR COM FATOR DE POTÊNCIA ATRASADO

FONTE: A autora

Já com fator de potência atrasado, temos:


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FIGURA 10 – DIAGRAMA FASORIAL DE UM GERADOR COM FATOR DE POTÊNCIA ADIANTADO

FONTE: A autora

Se compararmos os dois diagramas anteriores, notaremos que para uma determinada tensão de fase e corrente de armadura, é preciso uma tensão gerada interna EA maior para as cargas atrasadas do que para as adiantadas. Desse modo, nas cargas atrasadas, para obtermos a mesma tensão de terminal, é necessário que haja uma corrente de campo maior. A tensão no terminal com cargas atrasadas terá um valor menor, e com cargas adiantadas um valor maior.

Um gerador síncrono, conforme observamos, é uma máquina síncrona que converte potência mecânica em potência elétrica trifásica. Todos os geradores são acionados por meio de uma máquina motriz, a fonte de potência mecânica. A respeito da máquina motriz, a mais comum é a turbina a vapor, porém, existem outras, como as máquinas diesel as turbinas a gás, hidráulicas e as eólicas. Com isso, devemos saber que a queda de velocidade de uma máquina motriz é dada pela equação:

Nesse caso, nvz é a velocidade a vazio da máquina motriz, e npc é a velocidade a plena carga da máquina motriz.

Precisamos perceber que a potência mecânica que entra em um gerador síncrono, não é totalmente transformada em potência elétrica na saída do gerador, com isso, a diferença entre as potências da máquina são as perdas dessa máquina, sendo perdas mecânicas, as do núcleo e as suplementares.

Lembrando que esses valores são para uma determinada corrente de campo e uma intensidade de corrente de carga.

ATENCAO


66

A potência de entrada, ou seja, a potência do eixo do gerador, é dada pela equação:

Também pode ser dada pela equação seguinte, considerando que γ é o ângulo entre AE

� e AI�

:

Podemos calcular o valor da saída de potência elétrica ativa, do gerador síncrono, com a equação:

Sendo que VL e IL são, respectivamente, a tensão e corrente de linha. Também podemos representar a potência de saída em termos da tensão de fase, Vϕ, e corrente de fase IA, com a equação:

A saída da potência reativa pode ser expressa por meio da tensão e corrente de linha:

E da tensão e corrente de fase:

O diagrama de fluxo de potência de um gerador síncrono é:

FIGURA 11 – DIAGRAMA DE FLUXO DE POTÊNCIA PARA UM GERADOR SÍNCRONO

FONTE: Adaptada de CHAPMAN (2013)


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De acordo com Chapman (2013), podemos observar na figura 11 as perdas no núcleo, as perdas no cobre, as perdas por atrito e ventilação e as perdas suplementares. Vejamos os detalhes de cada uma:

• As perdas no núcleo são as perdas por histerese e as perdas por correntes parasitas, no metal do motor.

• As perdas no cobre ocorrem devido aos enrolamentos de campo e de armadura do gerador;

• As perdas por atrito e ventilação são as perdas mecânicas.• As perdas suplementares não estão em nenhuma das outras categorias. Foi

determinado, por convenção, que essas perdas equivalem a 1% da potência a plena carga.

68


• As máquinas síncronas são semelhantes às máquinas de indução.

• Existem diferenças entre as máquinas síncronas quando são utilizadas como motor e como gerador.

• Os diagramas fasoriais de um motor e de um gerador síncrono são diferentes, e quanto maior for a corrente de campo, a tendência do motor síncrono é apresentar um comportamento capacitivo.

• Para fazer um diagrama fasorial é preciso conhecer o circuito equivalente e suas equações.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Nas máquinas síncronas, a rotação está relacionada com o número de polos magnéticos e com a frequência da tensão gerada. Desse modo, as máquinas síncronas se assemelham às máquinas de indução. Sobre as máquinas síncronas, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Nas máquinas síncronas, o estator é excitado em corrente alternada e o rotor em corrente contínua.

b) ( ) Uma característica do motor síncrono é ter um comportamento exclusivamente indutivo.

c) ( ) Na máquina síncrona, o rotor é cilíndrico com enrolamento polifásico.d) ( ) A máquina síncrona é um tipo de máquina que funciona com corrente

contínua.

2 A máquina síncrona é uma máquina elétrica que permite a conversão de energia elétrica em mecânica e vice-versa. Quando utilizada na conversão de energia elétrica em mecânica, é chamada de motor síncrono. Com base nas definições sobre os motores síncronos, analise as sentenças a seguir:

I- Uma das utilizações do motor síncrono é corrigir o fator de potência.II- A partida de um motor síncrono, no início, é diferente do motor de

indução.III- O motor síncrono não varia sua velocidade em função da carga.



3 A máquina síncrona é muito utilizada nos sistemas de geração de energia elétrica, funcionando como gerador ou como compensador. Com base nos conhecimentos sobre as máquinas síncronas, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O diagrama fasorial é obtido a partir do circuito equivalente da máquina síncrona, operando como gerador ou como motor.

( ) Quando se ajusta a magnitude da corrente de campo, o motor síncrono pode operar com fator de potência indutivo, capacitivo ou unitário.

( ) Para obtermos a mesma tensão de terminal em um gerador síncrono, deve haver uma corrente de campo menor para as cargas atrasadas.

AUTOATIVIDADE

70



4 A máquina síncrona, quando converte potência mecânica em potência elétrica é conhecida como gerador síncrono. Explique o funcionamento desse tipo de máquina síncrona.

5 A partida de um motor síncrono, no início, é igual ao motor de indução, porém, quando os polos do estator e do rotor se acoplarem, ou seja, atingem a velocidade nominal, a velocidade do rotor se torna igual à síncrona. Em máquinas comerciais, normalmente existe uma gaiola de esquilo no rotor para permitir a partida. Considere um motor síncrono que possui 6 polos e velocidade síncrona de 1200 rpm. Descreva o cálculo da frequência de tensão gerada da máquina primária.

71

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 2, abordaremos, inicialmente, as características construtivas das máquinas síncronas. Veremos que o estator, por exemplo, é igual tanto em uma máquina síncrona quanto em uma máquina assíncrona.

Em seguida, conheceremos os circuitos equivalentes, tanto da máquina síncrona operando como gerador quanto como motor, e notaremos o quanto são semelhantes.

Por último, analisaremos na prática, como realizar o teste a vazio e em curto-circuito de um gerador síncrono.

2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS

O estator de uma máquina síncrona (o induzido) é igual ao da máquina assíncrona, formado por um enrolamento, normalmente trifásico, com um ou mais pares de polos. O rotor (o indutor), diferentemente do estator, é formado por um enrolamento monofásico, alimentado por corrente contínua.

Podemos ter as máquinas de rotor cilíndrico ou polos lisos, os turbo-alternadores ou turbo-motores, em que o enrolamento do rotor é distribuído, pois funcionam com velocidades altas. Normalmente são de 2 ou 4 polos. Esse tipo é constituído de peças que possuem uma boa resistência mecânica, além disso, geralmente o rotor é de aço maciço.

TÓPICO 2 —

TESTES E ENSAIOS

O rotor também é conhecido como enrolamento de campo ou de excitação, porém, nas máquinas de potência reduzida, os enrolamentos estão sendo substituídos pelos ímãs permanentes.

ATENCAO

72


Existem também as máquinas de polos salientes, em que o enrolamento é formado por bobinas concentradas. A construção dessa máquina permite todas as velocidades de rotação síncrona, porém, é preciso ter no mínimo 4 polos. Geralmente, possuem de 48 a 96 polos e baixa rotação. Um exemplo de utilização dessa máquina é em centrais hidrelétricas, acoplado a turbinas. Devido ao número de polos, essas máquinas são maiores em diâmetro e menores em profundidade. É, contudo, a forma mais utilizada nos motores, principalmente aos que funcionam com velocidades inferiores a 1500 rpm.

Em um gerador síncrono, sabemos que potência é convertida da forma mecânica para a elétrica. O conjugado induzido no rotor do gerador depende do ângulo de conjugado, então, podemos calcular a potência da maneira a seguir:

Sendo que, PCONV é a potência convertida da forma mecânica para a elétrica, δ é o ângulo de conjugado, XS é a reatância síncrona e EA é a tensão gerada interna.

O conjugado induzido é dado pela equação:

Cabe ressaltar que as duas grandezas chegam no valor máximo quando o ângulo de conjugado for 90°.

3 CIRCUITO EQUIVALENTE DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS

A análise de circuito equivalente é muito importante e frequentemente utilizada para explicar as características das máquinas elétricas em geral, assim como nas máquinas síncronas. Essa análise ajuda a entender o funcionamento complexo das máquinas síncronas de um modo mais simples e fácil.

Semelhante às máquinas assíncronas, em uma grande parte das máquinas síncronas, no rotor tipo gaiola de esquilo há um terceiro enrolamento para amortecer oscilações que provoquem quebras de sincronismo.

ATENCAO

TÓPICO 2 — TESTES E ENSAIOS

73

Quando realizamos a análise do equipamento com ação geradora, encontramos o circuito equivalente da máquina síncrona. A tensão gerada nunca será aquela entregue à carga, em decorrência das perdas intrínsecas ao sistema. Os fatores que geram perdas são:

• distorção do campo magnético do entreferro pela corrente que flui no estator, ou seja, a reação de armadura;

• autoindutância das bobinas da armadura; • resistência das bobinas da armadura rotor;• efeito do formato dos polos salientes do rotor.

3.1 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM MOTOR SÍNCRONO

Um motor síncrono é bem semelhante a um gerador síncrono, a diferença entre eles está no sentido do fluxo de potência e do fluxo de corrente do estator. Podemos concluir, assim, que o circuito equivalente de um motor síncrono é igual ao de um gerador síncrono, a não ser pelo sentido de referência da corrente IA (invertido). Vejamos o circuito equivalente por fase do motor síncrono:

FIGURA 12 – CIRCUITO EQUIVALENTE DO MOTOR SÍNCRONO POR FASE

FONTE: A autora

O circuito equivalente completo do motor síncrono está representado a seguir, lembrando que as três fases do circuito podem ser ligadas em Y ou em Δ:

Os efeitos da autoindutância e da reação de armadura são representados por reatâncias, por essa razão esses feitos são combinados em uma reatância única chamada reatância síncrona, X

S.

IMPORTANTE

74


FIGURA 13 – CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO DO MOTOR SÍNCRONOTRIFÁSICO

FONTE: A autora

A equação da lei de Kirchhoff da tensão para o circuito equivalente é dada por:

Podemos perceber que essa equação é a mesma do gerador, exceto o sinal do termo de corrente ser invertido.

Vamos analisar um exemplo para ilustrar o uso do circuito equivalente: consideremos um motor síncrono trifásico de 60Hz, ele possui uma tensão de linha de terminal de 420V e uma corrente de terminal de 100ª, com um fator de potência de 0,85 atrasado. A reatância síncrona do motor síncrono vale 1,5Ω. Nesse motor, a resistência de armadura não será considerada. Nas condições descritas, a corrente de campo é 40 A.

Ou:


75

Devemos, então, calcular a tensão gerada Ea, o valor da indutância mútua L entre o campo e a armadura, a potência elétrica de entrada do motor em kW, o ângulo de fase δ da tensão gerada e a corrente de campo, necessária para conseguir um fator de potência unitário nos terminais do motor. Vamos escolher, então, a tensão de terminal como referência de fase, e assim, encontraremos a tensão de terminal expressa como uma tensão de fase:

Agora, precisamos encontrar o ângulo do fator de potência atrasado de 0,95:

Desse modo, encontramos a corrente de fase:

E a tensão gerada:

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A indutância mútua é encontrada por meio da equação:

E a potência trifásica de entrada é três vezes a potência de entrada de uma das fases:

Para obtermos um fator de potência unitário nos terminais do motor, a corrente no terminal da fase a deve estar em fase com a tensão de fase Va da fase a. Desse modo, temos:

Após encontrar L, obteremos a corrente de campo:


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3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM GERADOR SÍNCRONO

Ao girarmos o rotor de um gerador síncrono, aparece uma tensão EA induzida nos enrolamentos do estator. Vamos pensar, agora, sobre o que aconteceria se colocássemos carga nos terminais.

Quando adicionamos carga nesses terminais do gerador, uma corrente trifásica passa a circular no estator, o que provocará a produção de um campo magnético. Esse campo magnético criado no estator (BS) irá distorcer o campo magnético original do rotor (BR), tendo como resultado a mudança da tensão de fase resultante. Esse efeito é conhecido como reação de armadura. O campo BS produz uma tensão no estator, e chamaremos de Eest.

Se não adicionarmos nenhuma carga no gerador, não existirá fluxo de corrente de armadura, de modo que EA será igual a tensão de fase Vϕ. Agora, iremos ligar esse gerador a uma carga reativa atrasada. O fato de estar atrasada, fará com que o pico de corrente ocorra um ângulo depois do pico de tensão. Desse modo, a tensão total em uma única fase pode ser calculada por:

E o campo magnético líquido, Bliq, é a soma dos campos magnéticos do estator e do rotor, dada por:

Os ângulos de EA e BR são iguais, assim como os ângulos de Eest e BS. Sendo assim, o campo magnético resultante Bliq irá coincidir com a tensão liquida Vϕ.

Agora, devemos modelar os efeitos da reação de armadura sobre a tensão de fase. A tensão Eest está um ângulo de 90° atrasada da corrente máxima IA, e também é diretamente proporcional à essa corrente. Considerando X a constante de proporcionalidade, a tensão de reação de armadura pode ser calculada da seguinte maneira:

A tensão em uma única fase é dada pela equação:

Analisando o circuito da imagem a seguir, temos que a tensão Vϕ é dada pela equação:

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FIGURA 14 – PARTE DO CIRCUITO EQUIVALENTE

FONTE: A autora

Se observamos a última equação, notaremos que ela é igual à que descreve a tensão da reação de armadura. Desse modo, podemos concluir, de acordo com Chapman (2013), que a tensão da reação de armadura pode ser escrita como um indutor em série, com a tensão gerada.

As bobinas do estator têm uma autoindutância (LA), uma reatância (XA) e uma resistência (RA). Assim, a diferença total entre EA e Vϕ é dada pela equação:

No caso da autoindutância e dos efeitos de reação de armadura, eles são representados por uma única reatância, conhecida como reatância síncrona, sendo calculada da maneira a seguir:

Então, a equação é descrita por:

A partir disso, conseguimos construir o circuito equivalente de um gerador síncrono trifásico:


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FONTE: A autora

Na figura 15, devemos observar que o primeiro circuito apresenta uma fonte de tensão CC alimentando o circuito de campo do rotor, representado por uma indutância em série, com a resistência da bobina. E o resistor ajustável Raj controla o fluxo da corrente de campo.

Os outros três circuitos são os modelos de cada fase. Precisamos lembrar

que as tensões e as correntes das três fases são idênticas, mas defasadas de 120°. E as três fases podem ser ligadas tanto em Y ou em Δ:

FIGURA 16 – LIGAÇÕES EM Y OU Δ

FONTE: A autora

FIGURA 15 – CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM GERADOR TRIFÁSICO

80


A tensão do terminal, quando ligada em Y, é dada pela equação:

E se estiver ligada em Δ, pela equação:

Geralmente, utilizamos um único circuito equivalente por fase, pois as três fases do gerador síncrono, como vimos, são iguais, apenas defasadas e por fase.

FIGURA 17 – CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE DE UM GERADOR SÍNCRONO

FONTE: A autora

Para ilustrar a aplicação do circuito equivalente nos geradores síncronos, faremos um exemplo, portanto, consideremos um gerador com potência de 25kW e os seguintes dados na placa: reatância síncrona de 3Ω na frequência nominal, e a tensão nominal (com conexão em estrela) é 350 V. A plena carga o fator de potência é 0,95 indutivo. Iremos calcular, assim, o valor interno da tensão e a corrente nominal.

É importante observar que as três fases do gerador síncrono, quando estão com cargas conectadas, só irão apresentar as mesmas tensões e correntes quando elas estiverem equilibradas.

ATENCAO


81

Como conhecemos o fator de potência e a potência nominal, iremos calcular a potência aparente e depois calcular a corrente de carga:

Já que a máquina está conectada em estrela, podemos calcular a corrente da seguinte maneira:

Agora que já conhecemos a corrente da armadura, iremos, de fato, usar o circuito equivalente para calcular a tensão interna. Atentemos ao fato de que no circuito equivalente nós usamos a tensão de fase. Iremos, então, calcular o ângulo do fator de potência:

Neste exercício foi ignorado o valor da resistência da armadura, porque normalmente ela é menor do que a reatância síncrona. Desprezando esse valor, os resultados são impressivos, porém, a ordem de grandeza está correta. Esse recurso é válido para uma análise rápida.

3 TESTE EM ABERTO E TESTE EM CURTO-CIRCUITO

Os ensaios em curto-circuito e aberto são os mais conhecidos e reconhecidos quando o objetivo é identificar os parâmetros da máquina síncrona e entender o seu funcionamento. Esses testes são utilizados há muitos anos, principalmente em decorrência da sua simplicidade.

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Para uma máquina síncrona trabalhando como gerador síncrono, devemos determinar três parâmetros para descrever o comportamento de um gerador síncrono real. Esses parâmetros são:

• relação entre a corrente de campo e o fluxo;• reatância síncrona;• resistência de armadura.

Para iniciar o teste, iremos precisar de:

• fonte de corrente contínua;• conexão com a rede elétrica para tensão de linha de 220 V;• máquina síncrona como motor;• máquina síncrona como gerador;• amperímetros (o multímetro pode ser usado, porém, os de formato alicate são

mais práticos para medir corrente em motores);• tacômetro (usado para medir a velocidade do eixo, pode ser de contato ou

baseado em superfície refletiva);• reostato;• chave tripolar (chave para os três conectores simultâneos de uma conexão

trifásica).

Começaremos fazendo a conexão do motor síncrono do procedimento apresentado a seguir:• identificar os terminais da máquina síncrona que está sendo utilizada e as

suas diferentes conexões. Também devemos atentar para a placa, pois nela há um desenho com as conexões dos terminais para os dois tipos de ligação;

• realizar a ligação trifásica para 220V, em ∆ (terminais L1, L2 e L3);• conectar em série o enrolamento de campo do motor síncrono, o reostato

de campo e a fonte, com o reostato já ajustado para o valor máximo de sua resistência. Sugestão: fonte corrente contínua de 12V e reostato de valor 10Ω.

FIGURA 18 – MÁQUINA SÍNCRONA OPERANDO COMO MOTOR

FONTE: A autora

Para partir um motor síncrono, devemos aplicar uma tensão de 220V com o enrolamento de campo desconectado. Após, precisamos ligar o enrolamento de campo e ajustar o reostato de campo, até o motor atingir a velocidade de 1800rpm. Verificaremos, em seguida, a velocidade síncrona com o número de polos, para


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certificar o entendimento. E utilizaremos o tacômetro para medir a velocidade. O funcionamento da máquina para a velocidade depende da corrente passando por seu circuito de campo, se é suficiente ou não, daí o ajuste do reostato.

É necessário notar que o controle por reostato está em desuso em muitas aplicações, pela disponibilidade de inversores de frequência com controle eletrônico. Porém, é um mecanismo simples e ilustra o funcionamento do motor.

Agora, estudaremos a respeito do gerador síncrono e o ensaio a vazio. Sendo assim, depois de realizarmos todas as ligações do motor síncrono, faremos as ligações do gerador síncrono, conforme a figura a seguir:

FIGURA 19 – GERADOR SÍNCRONO PARA O ENSAIO EM ABERTO

FONTE: A autora

Para o ensaio de uma máquina síncrona como gerador, ela precisa estar acoplada a outro motor, para transmitir o movimento do eixo. Assim, devemos conectar na rede o motor síncrono, para gerar energia elétrica no gerador. Com todos os equipamentos ligados, iniciaremos o teste:

• Primeiro passo: partir o motor síncrono. • Segundo passo: quando o motor síncrono atingir o sincronismo em 1800

rpm, verificar a tensão sem a corrente de campo, ou seja, a tensão residual do gerador síncrono, e anotar.

• Terceiro passo: ligar o circuito de campo do gerador síncrono, colocando o reostato de campo no seu máximo valor.

• Quarto passo: retirar os condutores e medidores do circuito de campo do motor síncrono e conectar esses condutores no circuito de campo do gerador síncrono.

• Quinto passo: ir diminuindo o reostato de campo e registrando vários valores de corrente de campo e de tensão. Variar a corrente de campo até a tensão gerada atingir aproximadamente 220V.

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Após, existem alguns procedimentos para desligar:

• voltar o reostato de campo para o seu máximo valor; • retirar os condutores de campo do gerador síncrono; • reduzir a tensão aplicada do motor síncrono.

Usando as medidas deste ensaio, podemos calcular a impedância da máquina com as relações a seguir.

A corrente de armadura IA é dada por:

Sendo que RA é a resistência de armadura.

E o módulo, por:

Como XS >> RA, temos em:

A corrente IA é obtida pelo ensaio em curto-circuito, em que a máquina não está saturada para todas as correntes de campo, por essa razão, o valor de XS é aproximado. A corrente de campo é obtida na região linear.

Faremos, agora, um exemplo de exercício envolvendo o ensaio a vazio de um gerador trifásico: consideremos que um gerador síncrono trifásico de 60Hz foi submetido a um ensaio a vazio. Os seguintes dados foram coletados: tensão nominal a vazio de 15 Kv, produzida por uma corrente de campo de 300 A. Sobre a linha do entreferro e tensão de 15KV, a corrente de campo correspondente é de 270A. Quais são os valore de L saturado e não saturado?


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Devemos notar que a saturação reduz a indutância mútua no valor de 9,72%, conforme a equação:

Avançaremos os estudos para o gerador síncrono e o ensaio de curto-circuito. Desse modo, precisamos fazer as ligações do motor síncrono, e em seguida, a do gerador síncrono. Montaremos o circuito e no lugar do voltímetro, colocaremos um amperímetro em série. Neste caso, é conveniente usar o amperímetro do tipo alicate, se disponível. Para simular a operação em curto-circuito, uma sugestão é colocar uma chave tripolar, que deve iniciar aberta. Deixaremos a tensão no gerador baixa, para evitarmos correntes acima da corrente nominal do equipamento. Depois de realizarmos todas as ligações, iniciaremos o ensaio:

• Primeiro passo: partir o motor síncrono. • Segundo passo: quando o motor síncrono atingir a velocidade de 1800 rpm,

ou seja, o sincronismo, colocar o reostato de campo no seu valor máximo. • Terceiro passo: desconectar os cabos do circuito de campo do motor síncrono

e conectá-los no gerador síncrono. • Quarto passo: fechar a chave tripolar.• Quinto passo: ir reduzindo o reostato de campo, fazendo diferentes leituras

e anotando a corrente de campo e de curto-circuito. A relação entre as duas correntes deve ser linear.

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Após, existem alguns procedimentos para desligar:

• colocar o reostato de campo no seu máximo valor;• abrir a chave tripolar;• retirar os condutores de campo do gerador síncrono; • reduzir a tensão aplicada do motor síncrono.

Outro parâmetro utilizado para descrever os geradores síncronos é a razão de curto-circuito, determinada pela razão entre a corrente de campo para a tensão nominal a vazio e a corrente de campo determinada para a corrente nominal de armadura em curto-circuito.

Essa grandeza é o inverso do valor da reatância síncrona. Se EA e IA são conhecidas, a reatância síncrona XS é encontrada, conforme as relações apresentadas. Em síntese, temos:

• A partir do teste em vazio para uma determinada corrente de campo, obteremos a tensão gerada interna EA.

• A partir do teste em curto-circuito de uma determinada corrente de campo, obteremos a corrente de curto-circuito IA, em corrente contínua.

• Com a equação A AV E jXIφ = − , encontrar XS.

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RESUMO DO TÓPICO 2


• A diferença do circuito equivalente do motor e do gerador é somente a direção da corrente.

• Nas máquinas síncronas do rotor tipo gaiola de esquilo, há um terceiro enrolamento para amortecer oscilações que provocam quebras de sincronismo.

• As três fases do gerador síncrono podem ser ligadas em Y ou em Δ.

• É possível, por meio de ensaios de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono, obter os parâmetros do circuito equivalente.

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1 Ao realizar a análise do equipamento com ação geradora, encontramos o circuito equivalente da máquina síncrona. Além disso, a tensão gerada nunca será a entregue à carga, devido às perdas intrínsecas ao sistema. Sobre os fatores que geram perdas, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Autoindutância das bobinas do rotorb) ( ) Reação de armadura.c) ( ) Efeito do formato dos polos salientes da armadurad) ( ) Resistência das bobinas do rotor

2 Uma máquina síncrona pode ser composta por três enrolamentos no estator, estes, defasados de 120 graus, e um enrolamento no rotor alimentado em corrente contínua. Com base nas definições de máquinas síncronas, analise as sentenças a seguir:

I- Um motor síncrono e um gerador síncrono são bem parecidos, exceto pelo do sentido do fluxo de corrente no estator.

II- O circuito equivalente para um gerador síncrono contém grandezas que devem ser determinadas, tornando possível descrever o comportamento de um gerador síncrono real, sendo que uma delas é a reatância assíncrona.

III- A razão do curto-circuito é o inverso do valor da reatância síncrona.



3 Sabe-se que analisar o circuito equivalente é importante para explicar as características das máquinas elétricas, assim como as máquinas síncronas. Essa análise ajuda, então, a entender o complexo funcionamento das máquinas síncronas. Sobre as máquinas síncronas, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Considerando um gerador síncrono, as três fases só apresentam as mesmas tensões e correntes quando as cargas conectadas a elas não estão equilibradas.

( ) Os efeitos da autoindutância e da reação de armadura são representados por reatâncias, por essa razão, tais efeitos são combinados em uma reatância única, considerada reatância síncrona, XS.

( ) Um motor síncrono é parecido com um gerador síncrono, exceto pelo fato de o sentido do fluxo de potência ser invertido.

AUTOATIVIDADE

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a) ( ) V – F – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – V.d) ( ) F – F – V.

4 Os motores síncronos são usados para converter potência elétrica em potência mecânica. Considere um motor síncrono trifásico conectado a uma fonte de tensão trifásica e ligado em Y. A tensão de fase desse motor é de 220V e a sua frequência 50Hz. Descreva o cálculo do valor da máxima potência que esse motor pode fornecer, desconsidere as perdas. Dados: reatância síncrona do motor é igual 4Ω e tensão interna por fase gerada 230V.

5 Os ensaios em curto-circuito e aberto são os mais conhecidos quando queremos identificar os parâmetros da máquina síncrona e entender o seu funcionamento. Considere um gerador síncrono de 250 kVA, 480 V, 50 Hz, ligado em Y e com uma corrente nominal de campo de 6 A submetido a alguns ensaios e descreva o cálculo a partir dos dados a seguir:

Após os ensaios, foram obtidos os seguintes dados: IF nominal, VT em vazio igual 520 V. IF nominal, IL em curto-circuito igual a 300 A.

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 3, abordaremos, inicialmente, a capacidade da máquina síncrona e a importância de conhecer as curvas, visando o melhor rendimento da máquina.

Em seguida, estudaremos a respeito da frequência síncrona de operação,

no que diz respeito às máquinas síncronas atuando como gerador. Para isso, devemos considerar que no Brasil existem muitas hidrelétricas interligadas, de modo que elas suprem a quantidade necessária de energia de cada região, contudo, elas devem estar sincronizadas.

Por fim, analisaremos algumas aplicações em relação a máquina síncrona,

como gerador e também como motor.

2 CAPACIDADE DA MÁQUINA SÍNCRONA Precisamos observar que para uma determinada tensão e para um

determinado fator de potência, os geradores síncronos são projetados a fim de oferecer a máxima potência aparente, sem ter um alto aquecimento.

Alguns fatores limitam a potência ativa e reativa dos geradores síncronos, como a capacidade da máquina primária, o aquecimento dos enrolamentos de armadura e de campo, o aquecimento do núcleo do gerador, os limites de estabilidade e a excitação mínima. Além disso, a capacidade de potência reativa em algumas máquinas é vinculada ao fator de potência, quando está em operação nominal.

Tanto os enrolamentos de armadura quanto os de campo esquentam,

isso acontece devido às perdas elétricas de potência geradas pela circulação das correntes nesses enrolamentos. O núcleo do gerador também aquece, e esse efeito afeta justamente a capacidade de geração em condições de subexcitação.

TÓPICO 3 —

OPERAÇÃO DA MÁQUINA SÍNCRONA COMO GERADOR

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Os geradores síncronos de grande porte, geralmente são construídos para operar com um fator de potência atrasado, com valores típicos de 0,85 ou 0,9. Nos geradores síncronos conectados a redes de distribuição, é recomendado que a operação seja realizada com fatores de potência de 0,9 capacitivo e 0,95 indutivo, como ocorre no Canadá, por exemplo.

ATENCAO

Comumente, os geradores síncronos têm uma tensão de terminal com valores entre 95% e 105% do valor de tensão nominal da máquina. A imagem a seguir mostra um conjunto típico de curvas de capacidade para um turbogerador de grande porte, refrigerado com hidrogênio.

FIGURA 20 – CURVAS DE CAPACIDADE DE UM TURBOGERADOR, REFRIGERADO COM HIDRO-GÊNIO, FATOR DE POTÊNCIA DE 0,85 E RELAÇÃO DE CURTO-CIRCUITO DE 0,80

FONTE: UMANS (2014, p. 294).

Nessa curva conseguimos observar as regiões de aquecimento dos enrolamentos e as curvas que representam as pressões do hidrogênio utilizado para resfriar o turbogerador.

TÓPICO 3 — OPERAÇÃO DA MÁQUINA SÍNCRONA COMO GERADOR

93

As curvas de capacidade fornecem uma orientação aos responsáveis pelo planejamento dos sistemas de potências. Quando esses responsáveis analisam modificações e acréscimos em um sistema de potência, conseguem verificar de forma rápida os geradores que podem abastecer com segurança as cargas. Do mesmo modo, os operadores de sistema podem verificar de forma ágil se os geradores individuais conseguem responder com segurança às alterações de carga do sistema.

3 FREQUÊNCIA SÍNCRONA DE OPERAÇÃO

No Brasil, assim como em muitos outros países, a fonte de energia utilizada não advém de um único lugar. Portanto, existem hidrelétricas interligadas que suprem a quantidade de energia que cada região precisa. No entanto, para que duas geradoras de energia possam ser interligadas, alguns cuidados precisam ser tomados, pois, caso contrário, pode ocorrer um curto-circuito e uma delas pode ser danificada. O cuidado fundamental para conectar as fontes geradoras de energia é atentar para que elas estejam sincronizadas e com a mesma tensão, com a mesma frequência e defasagem.

Os geradores síncronos têm frequência elétrica sincronizada à velocidade mecânica de rotação do gerador. A taxa de rotação dos campos magnéticos da máquina se relaciona com a frequência elétrica do estator por meio de:

Nesse caso, fse é a frequência elétrica em Hz, e nm é velocidade mecânica do campo magnético em rpm. Nas máquinas síncronas, tanto o rotor quanto o campo magnético giram com a mesma velocidade. O valor da tensão induzida em uma fase do estator depende do fluxo da máquina, da velocidade de rotação e da construção da máquina. Quando não há problemas de sincronismo, a equação da tensão induzida pode ser escrita de uma forma mais simples:

Conhecer essas informações é importante para evitar uma sobrecarga do gerador.

IMPORTANTE

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Sendo que K é uma constante que representa os aspectos construtivos da máquina em radianos elétricos por segundo, dada por:

Porém, se for em radianos mecânicos por segundo, devemos acrescentar o número de polos. Assim, temos:

A tensão interna EA, normalmente não surge nos terminais do gerador. O único momento em que a tensão EA é igual à tensão de saída Vϕ de uma fase, é quando não existe corrente de armadura circulando na máquina.

Desse modo, a tensão EA é diretamente proporcional ao fluxo e a velocidade, mas o fluxo depende da corrente que percorre o circuito de campo do rotor. A corrente IF do circuito de campo se relaciona com o fluxo ϕ, conforme a imagem:

FIGURA 21 – FLUXO X CORRENTE DE CAMPO DE UM GERADOR SÍNCRONO

FONTE: CHAPMAN (2013, p. 198)

4 CONTROLE DE VELOCIDADE

Grande parte das aplicações dos motores elétricos precisa controlar a velocidade e o conjugado. No passado, as máquinas de corrente alternada, basicamente, funcionavam com uma única velocidade, e a frequência fixa era geralmente de 50 ou 60Hz, a mesma frequência utilizada na rede elétrica.


95

As máquinas de corrente contínua conseguem controlar a velocidade, porém, há um certo custo, sendo mais caras, mais complexas e, consequentemente, requerem uma atenção maior na manutenção, se compararmos com as máquinas de corrente alternada.

Quando surgiu as chaves de potência de estado sólido e também os microprocessadores, essa situação mudou, inclusive, nos dias atuais são construídos sistemas eletrônicos capazes de realizar operações com velocidade variável e controle de conjugado com máquinas CA. Devido a esses avanços, as máquinas de corrente contínua foram substituídas pelas máquinas de corrente alternada.

O modo mais fácil de controlar um motor síncrono é variar a velocidade por meio do controle da frequência da tensão de armadura, com o acionamento do motor por um inversor trifásico, conforme podemos observar:

FIGURA 22 – INVERSOR FONTE DE TENSÃO TRIFÁSICO

FONTE: UMANS (2014, p. 573)

Para controlar a velocidade do motor de corrente alternada, era preciso que houvesse uma fonte de velocidade. Por esse motivo, quando existia a necessidade de aplicar uma velocidade variável e conjugado controlado, eram utilizadas máquinas de corrente contínua.

ATENCAO

96


Observando a Figura 24, podemos notar três blocos: o retificador de fase controlada, o link CC e o inversor. O bloco de retificação é responsável pela produção da tensão contínua no capacitor, estando presente no link CC. Quando controlamos as chaves do bloco inversor, geramos as formas de onda de tensão com amplitude variável, por meio do método chamado modulação por largura de pulso, ou seja, PWM.

Podemos variar, por meio do controle de fase do bloco retificador, a tensão VCC do link CC. Controlando a frequência das chaves do inversor, também variamos a frequência das formas de onda do inversor. É muito importante que ao usarmos uma máquina de corrente alternada, além da frequência, devemos controlar a amplitude da tensão aplicada.

O componente de entreferro da tensão de armadura em uma máquina de corrente alternada é proporcional a densidade de fluxo de pico da máquina e a frequência elétrica, essa afirmação vem da Lei de Faraday. Podemos escrever a amplitude de tensão de armadura, Va, em função da frequência de operação, fe, da densidade de fluxo de pico no entreferro, Bpico e dos valores nominais de operação. Desprezando as quedas de tensão na resistência de armadura e da reatância de dispersão, temos (31).

Agora, manteremos o valor de amplitude da tensão de armadura igual ao valor nominal, variando a frequência da tensão de armadura, temos:

Notemos que há um problema no funcionamento com tensão constante e frequência variável, pois, quando a frequência diminui, a densidade de fluxo aumenta. Para uma operação típica, ou seja, que opera saturada com a frequência e tensão nominais, por menor que seja a redução de frequência, fará com que a densidade de fluxo aumente mais. A consequência pode ser um dano na máquina, graças ao aumento das perdas no núcleo e das correntes de máquina, necessárias para suportar essa densidade de fluxo mais alta.

Para frequências iguais a nominais ou menores, a máquina costuma funcionar com densidade de fluxo constante:


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Observando a última equação, podemos verificar que a operação com fluxo constante é dada pela relação constante entre a tensão de armadura e a frequência, processo conhecido como operação com volts/hertz constante.

Caso a máquina síncrona seja operada na tensão nominal, porém, com frequências superiores à nominal, teremos uma queda abaixo do valor nominal da densidade de fluxo no entreferro. E para manter a densidade de fluxo em seu valor nominal, é preciso aumentar a tensão de terminal para valores de frequências acima da frequência nominal. Como não queremos danos ao isolamento da máquina, o normal é manter a tensão de terminal no seu valor nominal para frequências acima da nominal.

A corrente de terminal da máquina é limitada pelas restrições térmicas. Então, se a refrigeração da máquina não for afetada pela velocidade do rotor, a corrente de terminal permitida, ou seja, a corrente máxima, ficará constante com seu valor nominal, independentemente de qualquer frequência aplicada.

5 APLICAÇÕES

Uma máquina elétrica, conforme estudamos, consegue converter tanto a energia mecânica em energia elétrica (gerador), quanto a energia elétrica em energia mecânica (motor). E dependendo da sua função, ela é chamada de motor ou gerador.

Os geradores de corrente alternada são os responsáveis pela geração da energia elétrica que chega a nossas casas, que alimenta as fábricas e o comércio diariamente. Geralmente, os geradores são conectados a uma rede com vários outros geradores operando em paralelo. A operação em paralelo, desse modo, tem algumas vantagens, como atender a uma grande carga, confiabilidade e o fato de um ou mais geradores poderem ser desligados para manutenção, sem que isso cause a interrupção total da operação.

Sendo assim, para conectar dois ou mais geradores em paralelo, ou ainda conectar uma nova máquina a uma rede já existente, de acordo com Novicki (2018), é preciso que:

• todos os geradores produzam o mesmo nível de tensão;• todos os geradores tenham o mesmo ângulo na fase a; • a sequência de fases dos geradores seja a mesma; • a frequência do gerador que entrará em paralelo seja um pouco superior à do

atual sistema em funcionamento.

Sabemos que os geradores síncronos são utilizados em usinas hidrelétricas, termelétricas e também para a geração de energia elétrica em centrais de pequeno porte e em geradores de emergência. Eles podem ser instalados, por exemplo, nos diversos tipos de indústrias, nos hospitais e nos aeroportos.

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Nas usinas hidrelétricas, normalmente se utilizam as máquinas de eixo vertical, com rotor de polos salientes e de grande diâmetro (frequentemente há um elevado número de polos). Nas usinas termelétricas, o gerador possui eixo horizontal, o rotor é cilíndrico e de pouco diâmetro (usualmente possui um número baixo de polos, na ordem de 2 ou 4).

FIGURA 23 – PARTE MINIATURA DOS GERADORES DA BARRAGEM DE ITAIPÚ

FONTE: < https://shutr.bz/2XWbug0 >. Acesso em: 18 jul. 2021.

Já na indústria, os motores síncronos trabalham fornecendo potência capacitiva, para compensar a potência indutiva e melhorando, assim, o fator de potência.

Os motores síncronos podem ser aplicados em praticamente todos os segmentos da indústria, como na mineração, por meio de britadores, dos moinhos, entre outros. Na siderurgia, também existem muitos motores síncronos utilizados nos ventiladores e nas bombas. O motor síncrono é muito utilizado, inclusive, no saneamento, por meio das bombas, e na indústria química e petroquímica pelos ventiladores e compressoras, por exemplo.

O motor síncrono opera sobre-excitado quando é necessário acionarmos uma carga, ou seja, o motor síncrono fornece para o sistema de potência uma potência reativa (Q).

ATENCAO


99

No início, o motor síncrono era utilizado apenas para realizar a correção de potência, ou seja, funcionava sem nenhuma carga. Nesses motores existiam eixos que nem saiam da carcaça do motor, isto é, mesmo que fosse desejado, não era possível acoplar uma carga a ele. A imagem a seguir apresenta o diagrama fasorial do motor síncrono sobre-excitado, a vazio.

FIGURA 24 – DIAGRAMA FASORIAL DE UM MOTOR SÍNCRONO A VAZIO

FONTE: A autora

Como não tem carga, também não tem potência retirada do motor, desse modo, os termos que equivalem a potência EAsenδ e IAcosδ não aparecem, ou seja, são iguais a zero. A equação para um motor síncrono é dada por:

Observando a equação X e o diagrama fasorial, notamos que o termo S AjX I

aponta para a esquerda, assim, a corrente de armadura aponta para cima. A relação de tensão e corrente entre Vϕ e IA é do mesmo modo que a de um capacitor, portanto, podemos dizer que um motor síncrono a vazio sobre-excitado, em relação ao sistema de potência, é muito parecido com grande capacitor. Os motores síncronos a vazio sobre-excitado eram muitas vezes chamados de capacitores síncronos ou condensadores, pois, o capacitor, antigamente, recebia o nome de condensador. A curva V de um capacitor síncrono está representada a seguir:

FIGURA 25 - A CURVA V DE UM CAPACITADOR SÍNCRONO


100


FONTE: A autora

Atualmente, são mais utilizados os capacitores estáticos convencionais, pois são mais econômicos em relação ao custo do que os capacitores síncronos. Vale ressaltar que em instalações industriais antigas é possível encontrar alguns capacitores síncronos.

O conjugado de partida de um motor síncrono costuma ser muito inferior aos motores assíncronos. A partida de um motor síncrono, geralmente é realizada pelo enrolamento amortecedor que atua como enrolamento induzido, utilizando compensadores de partida.

Devido às características construtivas de algumas máquinas, ao fazermos a partida com o enrolamento de campo aberto, podemos ocasionar sobretensões, já que no início há um escorregamento alto. Existem casos em que as sobretensões danificam a isolação do enrolamento de campo.

ATENCAO

A potência ativa fornecida à máquina possui valor igual a zero. Excluindo as perdas, isso faz com que o fator de potência tenha valor igual a um, assim, a corrente IA é igual a zero.

Se aumentarmos a corrente de campo, aumentaremos também a corrente de linha e a potência reativa, mas de uma maneira praticamente linear, até atingir a saturação. Vejamos, a seguir, o efeito do aumento da corrente de campo sobre o diagrama fasorial do motor:

FIGURA 26 – EFEITO DA CORRENTE DE CAMPO


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Em algumas máquinas, a partida com o enrolamento de campo curto-circuitado pode ser um problema, porque pode existir dificuldades devido a parada de sua aceleração quando forem atingidas rotações um pouco acima de 50% da síncrona.

Desse modo, segundo Chapman (2013), podemos resumir os melhores modos para partir um motor síncrono de forma segura:

• diminuir a velocidade do campo magnético do estator, até que o rotor possa acelerar e entrar em sincronismo durante um semicírculo da rotação do campo magnético;

• usar a máquina motriz externa para acelerar o motor síncrono até atingir a velocidade síncrona, para que depois, possa entrar em paralelo, conectando a máquina à linha como um gerador. Quando desconectarmos a máquina motriz, a máquina síncrona vira um motor;

• usar enrolamentos amortecedores.

Os geradores podem operar também de forma isolada, nesse caso, é usado apenas um gerador síncrono para atender uma carga ou um conjunto delas. No interior do Brasil, por exemplo, há cidades distantes que são atendidas por um único gerador.

Se acontecer uma falha no fornecimento de energia, também se utiliza a operação isolada, recorrendo a geradores de emergência. Uma característica do gerador síncrono é ser muito sensível a quaisquer mudanças de carga, principalmente na potência reativa.

IMPORTANTE

O modo mais utilizado para dar a partida de um motor síncrono é com o uso dos enrolamentos amortecedores, ou seja, barras especiais colocadas em ranhuras abertas na face do rotor de um motor síncrono. Após serem colocadas na face do rotor, elas são curto-circuitadas em cada extremidade por meio de um grande anel de curto-circuito. A imagem a seguir apresenta uma face polar com um conjunto de enrolamentos amortecedores.

102



Podemos observar os enrolamentos amortecedores de forma evidente na figura a seguir:

FIGURA 28 - ROTOR DE UMA MÁQUINA SÍNRONA


Assim, finalizamos a unidade.

FIGURA 27 – POLO DE CAMPO DE TOROR DE UMA MÁQUINA SÍNCRONA


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MÁQUINAS SÍNCRONAS: CARACTERÍSTICAS E PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO

Claudio R. Pacheco John K. S. Carvalho

Nelson R. Silva

Introdução

As máquinas síncronas são basicamente máquinas de corrente alternada, em que a frequência da tensão induzida e a velocidade possuem uma relação constante. “Assim como as máquinas de indução (assíncronas) e as máquinas de corrente contínua (CC), as máquinas síncronas podem operar tanto como motor quanto como gerador” (NASCIMENTO, 2016). Os geradores síncronos são responsáveis por produzir grande parte da energia elétrica consumida no mundo, são utilizados na maior parte das Termoelétricas e Centrais Hidroelétricas (LLERENA, 2011). Por outro lado, os motores síncronos são requisitados em alguns casos específicos, apesar do alto custo em relação aos motores de indução. Merece destaque o fato de que esses motores possuem um fator de potência regulável, podendo adiantar ou atrasar a corrente em relação à tensão. A quantidade de máquinas síncronas equipadas com ímãs permanentes de baixa e média potência cresce de forma notável, essencialmente quando são necessárias respostas rápidas e velocidade variável.

O termo “síncrono” é utilizado devido à igualdade entre a frequência elétrica e a frequência angular, pois o rotor gira na mesma velocidade do campo magnético rotativo criado pelo estator por meio da corrente alternada trifásica (CA) de alimentação, ou seja, estão em sincronismo por meio de um acoplamento magnético.

Este trabalho busca aprofundar o conhecimento sobre o princípio de funcionamento das máquinas síncronas, formulando e esclarecendo os conceitos necessários para esse entendimento.

Resultados e discussão1. Conceitos teóricos e aspectos físicos das máquinas síncronas1.1 Carcaça1

A carcaça é basicamente um suporte mecânico para o estator que evita contato com os circuitos internos. O fluxo magnético que passa por ela geralmente é desprezível (NASCIMENTO, 2016).

104


1.2 Enrolamento do Induzido

Composto por condutores isolados, seus enrolamentos são idênticos aos enrolamentos do estator das máquinas assíncronas, geralmente distribuídos ao longo da sua circunferência. “Vale ressaltar que nas máquinas trifásicas, os três enrolamentos estão desfasados de um terço de período uns em relação aos outros, para que possam gerar o defasamento de 120º nas tensões e correntes, características de um sistema trifásico” (CAMARGO, 2007).

1.3 Núcleo do Induzido

Sua função é permitir uma forte indução magnética, ou seja, tem que ser constituído por um material que apresente pequenas perdas e ao mesmo tempo alta resistividade elétrica. Como consequência, deve ter uma pequena área do ciclo de histerese (MARQUES, 2001).

1.4 Estator (Armadura)

O estator, conhecido como circuito de armadura, é a parte fixa da máquina, onde seus enrolamentos são alimentados por um sistema de tensões alternadas trifásicas. Ele é montado em volta do rotor de forma que não exista contato físico entre eles, possibilitando que o rotor gire livremente no seu interior. É constituído por um pacote de lâminas de um material ferromagnético envolto num conjunto de enrolamentos distribuídos ao longo do seu perímetro e posicionados em “ranhuras”.

Vale ressaltar que, operando como gerador, toda a energia elétrica gerada irá percorrer o estator. Outra curiosidade é que comparando as correntes e tensões que circulam pelo rotor e estator, percebe-se que as tensões e correntes no estator são bem mais elevadas se comparadas às do rotor, que tem como função apenas produzir um campo magnético para “excitar" a máquina, o que torna possível a indução de tensões nos terminais dos enrolamentos do estator (PINHEIRO, 2007).

1.5 Rotor (Campo)

É a parte girante da máquina, conhecida como circuito de campo, normalmente constituída por um pacote de lâminas de um material ferromagnético envolto num enrolamento composto por condutores de cobre, designado como enrolamento de campo. Pode ser de dois tipos: rotores de polos salientes e rotores de polos lisos (bobinados). Nas máquinas de pequena potência, são usados rotores constituídos por ímãs permanentes, no intuito de reduzir o custo. Algumas características podem ser listadas abaixo:

→ Máquina síncrona de polos salientes:• em geral, grande número de polos (48-96) e baixa rotação (75 - 150 RPM);• uso com turbinas hidráulicas em potências elevadas;


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• uso comum também como geradores de pequena ou média potência, acionados geralmente a partir de motores diesel ou pequenas turbinas a vapor, mas neste caso apresenta um número de polos reduzidos.

→ Máquina síncrona de polos lisos:• em geral, reduzido número de polos (2 - 4), e apresenta uma elevada rotação• (3600 - 1800 RPM);• uso com turbinas a vapor ou gás (turbogeradores) em potências elevadas (até• 2000 MW) (CHABU, 2016).

→ Rotores compostos por ímãs permanentes:Geralmente se usa ímãs permanentes em máquinas de pequeno porte,

pois a possibilidade de controlar a corrente de campo é sacrificada para elevar a consistência e simplicidade do sistema. O verdadeiro ganho, porém, é que este método torna desnecessário o uso de sistemas de excitação, que aumentam drasticamente o preço desse tipo de máquina (NASCIMENTO, 2016).

1.6 Gaiola Cilíndrica ou Rotor Bobinado

Os motores síncronos não são autossuficientes na partida, e para resolver este problema, a engenharia desenvolveu a Gaiola de Esquilo, uma gaiola cilíndrica montada sobre os polos do rotor, que devido ao seu aspecto construtivo, quando exposta à variação de um campo magnético, faz com que apareça uma força conhecida como Força de Lorentz. A Força de Lorentz tem a mesma direção do campo girante, de modo a tirar o rotor da inércia e impulsionar a força de atração entre rotor e campo girante até alcançar a velocidade síncrona. Apesar disso, o assunto se complica quando se trata de uma partida com carga, pois apenas a Força de Lorentz não é suficiente. Nesse caso, se torna mais eficiente a utilização de um rotor bobinado de motor de indução, substituindo a gaiola cilíndrica, conhecido como enrolamento amortecedor tipo rotor bobinado. Este rotor utiliza cinco anéis coletores: três para o enrolamento bobinado do rotor e dois para o enrolamento do campo CC (CAMARGO, 2007).

1.7 Classes de isolamento

A potência de rotação do eixo é menor que a potência que o motor absorve da linha de alimentação, resultando em um rendimento inferior a 100%. A diferença entre as duas potências representa a quantidade de energia transformada em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do motor para evitar que a elevação da temperatura seja excessiva. Desconsiderando as peças que se desgastam pelo uso, a vida útil de uma máquina síncrona é determinada pelo seu material isolante. Apesar de fatores como umidade, poeira e vibrações serem relevantes, o de maior impacto na resistência elétrica do material é a temperatura. Se a máquina trabalhar a uma temperatura muito abaixo daquela a qual o material se queima, o material isolante tem uma longa duração, prolongando a vida útil da máquina. Se a operação da máquina for a uma temperatura de trabalho próxima à queima do material, ele perde suas propriedades gradualmente até que não

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consiga mais isolar, fechando um curto-circuito. A cada intervalo entre 8ºC e 10ºC de operação acima da temperatura nominal de classe, a vida útil do material isolante é reduzida pela metade (PINHEIRO, 2007).

1.8 Níveis de tensão

A tensão interna da máquina síncrona é função do fluxo e da frequência. Como a frequência é constante, é necessário fazer o controle do fluxo. O fluxo é produzido pela corrente de campo, sendo assim, é por meio dela que se faz o controle dos níveis de tensão. Para obtenção do valor da tensão em função da corrente é realizado o ensaio em vazio do gerador. Quando a corrente de excitação (ou campo) for zero, o valor da tensão induzida será obtido pelo valor residual do fluxo. Com o aumento da corrente de excitação, o fluxo aumenta até o momento de saturação do circuito magnético da máquina. Como o aumento de corrente neste momento não resultará no aumento de fluxo, a tensão induzida sofre o mesmo efeito (CAMARGO, 2007).

1.9 Velocidade síncrona

A velocidade síncrona ocorre, pois, o rotor gira em sincronismo com o campo girante produzido pelo estator. A definição de velocidade síncrona é: Ns = 120f /P (rpm). Esta equação mostra que a velocidade síncrona depende da frequência de entrada, então se a frequência de entrada é controlada, a precisão em termos de velocidade é garantida (CAMARGO, 2007).

1.10 Força de Lorentz

A definição do princípio por trás da gaiola de esquilo, a Força de Lorentz, é resultado da superposição da força elétrica oriunda de um campo elétrico com a força magnética, devido a um campo magnético atuando sobre uma partícula eletricamente carregada que se move no espaço (RIBEIRO, 2008).

2. Princípio de funcionamento (motor equipado com a gaiola cilíndrica)

O motor síncrono, trabalhando dentro de sua capacidade, é capaz de operar em velocidade constante. Ele é uma máquina eficiente geralmente utilizada onde se requer alta precisão. Esta característica da velocidade surge da interação entre um campo magnético constante, gerado pelo rotor, e um rotativo, produzido no estator. As bobinas do estator são alimentadas com uma corrente alternada (CA), gerando o campo rotativo que gira em velocidade variável conforme a frequência de entrada. O rotor é alimentado por uma fonte de tensão contínua (DC), por isso atua como imã permanente.

No início, as bobinas do rotor estão desconectadas da rede elétrica, então, o campo rotativo gerado pelo estator irá induzir uma tensão reversa nas hastes da gaiola, que por sua vez irá gerar a Força de Lorentz. Inicialmente o rotor irá funcionar como um mecanismo assíncrono pois sua velocidade inicial é baixa


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devido a sua massa, mas a força de Lorentz consequentemente impulsiona a interação entre os polos opostos do campo rotativo e do rotor, atraindo um ao outro, o que ocasiona o encaixe magnético entre eles. Com isso, o rotor irá atingir sua velocidade máxima e girar em sincronismo com o campo rotativo, em seguida as bobinas do rotor serão energizadas.

Desde que que o rotor gire em velocidade síncrona, a velocidade relativa entre a gaiola e o campo rotativo é zero, isso significa que não há tensão reversa e, portanto, nenhuma força de Lorentz na gaiola. Sendo assim, a gaiola não afeta a velocidade síncrona do rotor, apenas ajuda na arrancada do mesmo. O motor síncrono também pode ser usado como gerador, deixando, porém, de alimentar o estator com corrente alternada trifásica, e passando a excitar o eixo do rotor de forma a induzir tensões nos enrolamentos do estator. Existem alguns fatores que podem fazer com que o rotor perca o sincronismo, alguns deles são: sobrecarga, tensão muito baixa do rotor, e tensão muito baixa do excitador (CAMARGO, 2007).

3. Onde são utilizados3.1 Geradores síncronos

São utilizados na grande maioria das Centrais Hidroelétricas, contendo muitos polos salientes em razão da baixa velocidade de operação. Já nas Termoelétricas são utilizadas as máquinas de rotores cilíndricos com 2 ou 4 polos, em razão da alta rotação desse tipo de geração.

3.2 Motores Síncronos

Esses motores são bastante utilizados na correção do fator de potência, pois seu fator de potência é maleável, portanto, o motor síncrono consegue fornecer ou absorver reativo de acordo com a necessidade, o que lhe difere dos bancos de capacitores ou indutores normais que tem valores pré-definidos. Algumas qualidades gerais do motor síncrono são: velocidade constante e variável, altos torques e um alto rendimento.

Vale ressaltar que para fornecer reativo, surge a necessidade de uma fonte de corrente contínua ou retificada para sua excitação, além de um complexo equipamento de controle. Como o campo magnético do rotor é fornecido por uma fonte externa, a máquina síncrona pode operar com fator de potência indutivo, capacitivo ou unitário (sub/sobre-excitada). Em excitação normal a corrente se encontrará em fase com a tensão proporcionando um fator de potência unitário, já no caso subexcitado, a corrente no estator estará atrasada em relação à tensão da fonte, caracterizando um circuito indutivo com o fator de potência atrasado. Para o motor sobre-excitado, a corrente estará adiantada em relação à tensão da fonte, ou seja, com fator de potência adiantado, capacitivo.

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Conclusões

A partir dos conhecimentos discorridos, é possível perceber a que velocidade síncrona tem sincronia com a quantidade de polos e a frequência da rede. Nessas máquinas, a velocidade síncrona é mantida, desde que a carga alimentada esteja dentro da sua capacidade. Isso assegura vantagens como velocidade constante para o motor, e garante que no gerador a frequência da corrente alternada permaneça fixa.

Além disso, é possível concluir que devido às suas peculiaridades, a máquina síncrona pode ser usada para suprir a necessidade de bancos de capacitores ou indutores, fornecendo ou absorvendo reativo de acordo com a demanda. Vale ressaltar que para tornar viável a utilização de máquinas síncronas de pequeno porte, tem-se utilizado rotores equipados com ímãs permanentes, para diminuir seu preço. Este processo apesar de sacrificar o controle da corrente de campo o torna viável.

FONTE: Adaptado de <http://eventos.ifg.edu.br/secitecitumbiara/wp-content/uploads/sites/9/2020/02/RE-25-M%C3%A1quinas-s%C3%ADncronas-caracter%C3%ADsticas-e--princ%C3%ADpios-de-funcionamento.pdf>. Acesso em: 14 jul. 2021.

http://eventos.ifg.edu.br/secitecitumbiara/wp-content/uploads/sites/9/2020/02/RE-25-Máquinas-síncronas-características-e-princípios-de-funcionamento.pdf



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RESUMO DO TÓPICO 3


• É importante conhecer a capacidade de uma máquina síncrona, pois quando os planejadores precisam fazer alguma modificação, podem verificar de forma rápida e segura os geradores existentes, abastecendo com segurança as cargas necessárias.

• Conhecer a frequência síncrona de operação de um gerador é estritamente importante para interligar dois ou mais geradores de energia elétrica.

• A máquina síncrona é importante, seja funcionando como motor ou como gerador, porém, o uso como gerador é mais recorrente.


CHAMADA

110

1 A operação em paralelo dos geradores síncronos é muito comum no sistema de geração de energia elétrica. Em tal sistema, diferentes geradores fornecem energia a diversas cargas, as quais são separadas geograficamente umas das outras. Para conexões em paralelo de dois ou mais geradores, algumas condições são necessárias. Sobre tais condições, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A frequência do novo gerador deve ser ligeiramente inferior à frequência do atual sistema em funcionamento.

b) ( ) Todos os geradores devem ter o mesmo ângulo na fase a.c) ( ) A sequência de fases dos geradores não devem ser iguais.d) ( ) Todos os geradores não precisam produzir o mesmo nível de tensão.

2 Conforme os estudos, a máquina elétrica permite a conversão de energia elétrica em mecânica e vice-versa. Uma dessas máquinas é a síncrona, e quando utilizada na conversão de energia elétrica em mecânica, é chamada de motor síncrono. Com base nas definições dos motores síncronos, analise as sentenças a seguir:

I- Na indústria, os motores síncronos trabalham fornecendo potência capacitiva para compensar a potência indutiva, melhorando o fator de potência.

II- Os motores síncronos podem ser aplicados em praticamente todos os segmentos da indústria, por exemplo, na mineração.

III- Os motores síncronos são utilizados em usinas hidrelétricas, termelétricas e para geração de energia elétrica em centrais de pequeno porte, além de grupos geradores de emergência.


a) ( ) As sentenças I e III estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e II estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

3 O emprego dos geradores de corrente alternada percorre toda indústria de geração de energia elétrica, exceto as usinas solares. As que envolvem conversão eletromecânica, dependem da operação dos geradores CA, como as centrais eólicas, hidrelétricas, termoelétricas e outras. De acordo com os conhecimentos sobre geradores síncronos, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

AUTOATIVIDADE

111

( ) Para uma determinada tensão e fator de potência, os geradores síncronos são projetados para oferecer a máxima potência aparente, sem ter um alto aquecimento.

( ) Os geradores de grande porte, normalmente são projetados para operar com fator de potência adiantado de 0,85 ou 0,9.

( ) Um dos fatores que limita a potência ativa e reativa que os geradores síncronos podem ter é a capacidade da máquina primária.


a) ( ) V – F – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 Um gerador de energia elétrica síncrono de 60 Hz funciona com uma velocidade de 300 rpm. Descreva o cálculo da quantidade de polos que esse gerador possui.

5 Nas máquinas síncronas, o rotor gira com a velocidade igual à do campo magnético. Considere que a potência elétrica do gerador é gerada com uma frequência de 60 Hz, de modo que o gerador deve girar com uma velocidade fixa. Descreva o cálculo do valor que deve ser a velocidade na qual o rotor precisa girar para gerar uma potência com frequência de 60 Hz em uma máquina síncrona de dois polos.

112

REFERÊNCIAS

CARVALHO, G. Máquinas elétricas - teoria e ensaios. São Paulo: Saraiva, 2011.


FILIPPO FILHO, G. Motor de indução. 2. ed. São Paulo: Érica, 2013.

JORDÃO, R. G. Máquinas síncronas. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013.

NOVICKI, V. O. Máquinas elétricas I. Porto Alegre: Grupo A, 2018.

UMANS, S. D. Máquinas elétricas de fitzgerald e kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.

113

UNIDADE 3 —

PRÁTICAS COM MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA


PLANO DE ESTUDOS


• conhecer os princípios de funcionamento para motores de corrente con-tínua;

• compreender a prática dos princípios de funcionamento para motores de corrente contínua;

• conhecer os tipos de motores de corrente contínua;• aprender quais são os usos dos motores de corrente contínua.


TÓPICO 1 – INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

TÓPICO 2 – MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

TÓPICO 3 – TIPOS DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA


CHAMADA

115

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 1, abordaremos o conceito de máquina síncrona e seus aspectos construtivos. Iremos notar que os motores de corrente contínua são bem aproveitados nas aplicações em que o controle do conjugado e da velocidade é necessário. Devemos considerar que o motor CC está ganhando espaço na indústria, mesmo num ambiente em que o uso dos motores assíncronos de corrente alternada são os preferidos.

Em seguida, veremos como essas máquinas funcionam, ou seja, qual é

a sua estrutura. Observaremos que esse tipo de motor possui um comutator, diferentemente das outras máquinas.

Por fim, estudaremos os tipos de perdas, como as do cobre, as perdas mecânicas, as que ocorrem nas escovas e as perdas suplementares. Além disso, conheceremos o cálculo do rendimento.

2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

A máquina de corrente contínua (CC) é uma das mais utilizadas, inclusive,

aposto que você, acadêmico, já teve ou pelo menos já viu alguma. Vamos a um exemplo? Os brinquedos com motores, estes provavelmente continham motores de corrente contínua. Agora, se você não lembra de nenhum brinquedo com motor na sua infância, não tem problema. Podemos pensar, então, no vidro elétrico do carro: o movimento de abrir e fechar do vidro acontece graças a um motor de corrente contínua. Além disso, no metrô, presente em diversas cidades, também encontramos um motor CC.

TÓPICO 1 —

INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

UNIDADE 3 — PRÁTICAS COM MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

116

Mas afinal, o que é um motor CC? Um motor de corrente contínua, como o próprio nome diz, é um motor que ao invés de funcionar com corrente alternada, funciona com uma corrente contínua, isto é, o motor é alimentado por uma corrente contínua.

ATENCAO

Assim como as outras máquinas, um motor de corrente contínua converte energia elétrica CC em energia mecânica, e um gerador de corrente contínua converte a energia mecânica em energia elétrica CC. Embora seja uma máquina de corrente contínua, ela também contém no seu interior correntes e tensões alternadas, as quais são convertidas para contínua somente na saída, tal processo é chamado de comutação. Aliás, é por esse motivo que as máquinas CC também são conhecidas como máquinas de comutação. A seguir, temos o exemplo de um pequeno motor de corrente contínua:

FIGURA 1 – MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: <https://shutr.bz/3kABI06>. Acesso em: 2 ago. 2021.

2.1 ESTRUTURA FÍSICA

As máquinas de corrente contínua são constituídas de um rotor (a parte rotativa em que fica o circuito de armadura), um estator (a parte estacionária, em que fica o circuito de campo), o comutador (garantido que o sentido da corrente seja sempre o mesmo), as escovas (feitas de estruturas de carbono ou de grafite, que ficam em atrito com o comutador, sendo responsável pelo contato elétrico entre o rotor e o estator), e por fim, os enrolamentos inseridos no estator entre os polos e na sapata polar, ligados em série com a armadura, desse modo, a função é diminuir os efeitos da reação da armadura.

O estator possui uma carcaça que serve como suporte físico e as peças polares projetadas para o interior. Essas peças possuem esse formato para propiciar um caminho para o fluxo magnético na máquina.

TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

117

Próximo dos rotores, existem peças mais largas, as quais são chamadas de sapatas polares. Elas ficam sobre a superfície justamente para a obtenção de uma distribuição uniforme do seu fluxo. Podemos observar, a seguir, a imagem do rotor de um motor de corrente contínua:

FIGURA 2 – ROTOR DE UM MOTOR DE CC

FONTE: <https://shutr.bz/3i4vLHg>. Acesso em: 2 ago. 2021.

Chamamos de face polar a superfície exposta de uma sapata polar, além da distância entre essas faces e o rotor, recebendo o nome de entreferro. A distribuição do fluxo é simétrica em relação ao eixo central dos polos de campo. Esse eixo é chamado de campo ou direto. Em uma máquina de corrente contínua, o estator possui polos salientes e é excitado pelas bobinas de campo.

Na imagem a seguir, podemos observar as escovas e o comutador. A junção desses dois elementos forma o que chamamos de retificador mecânico. A função do retificador é converter a tensão de corrente alternada gerada em cada uma das bobinas de armadura em tensão de corrente contínua.

FIGURA 3 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UMA MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: Umans (2014, p. 404).


118

Embora os motores de corrente contínua sejam muito utilizados para o controle de velocidade e conjugado, por exemplo, nas pontes rolantes das siderúrgicas, eles possuem um problema em relação à manutenção e peças. Nos motores síncronos é preciso uma exigente manutenção com um bom conhecimento técnico, porque existem desgastes de peças e saturação de componentes eletrônicos.

FIGURA 4 – PARTES DE UM GERADOR DC

FONTE: <https://shutr.bz/3EQtJnx>. Acesso em: 2 ago. 2021.

Um fator importante que deve ser considerado no projeto do motor de CC é o diâmetro do fio. Esse diâmetro é determinado a partir do fluxo de corrente nos circuitos do motor e da capacidade de refrigeração, de modo que, se a área de seção transversal for menor do que realmente é necessário, a bobina vai aquecer mais do que o normal, então, o isolamento do motor irá degradar. O problema desse calor é a perda de cobre e, principalmente, a eficiência do motor, pois ela diminui.

3 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

O estator de uma máquina de corrente contínua gera um campo uniforme, no qual a bobina do rotor está imersa. Uma corrente é aplicada nesse rotor e a sua direção é invertida a cada meio ciclo, do mesmo modo que a força eletromotriz induzida na bobina. Essa inversão da corrente e o funcionamento das máquinas de corrente contínua serão observadas em uma máquina elementar de corrente contínua, como mostra a figura a seguir:


119

FIGURA 5 – MÁQUINA ELEMENTAR DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: Mohan (2015, p. 96).

Na máquina elementar realizamos a inversão por meio dos comutadores S1 e S2 e das escovas b1 e b2.

As escovas, quando estão em uma máquina elementar, ocupam um espaço maior e são mais largas do que o isolamento entre os segmentos do comutador. A consequência é a corrente ia atravessar o comutador sem fluir pelos condutores. Então, a bobina sofre comutação, e a corrente se inverte, girando o rotor. Vejamos, assim, o corte transversal na posição θ = 180° do rotor:

FIGURA 6 – CORTE TRANSVERSAL NO ROTOR DA MÁQUINA ELEMENTAR CC


Notemos que em θ = 180°, a corrente i1-1′ é negativa, e o torque é produzido em sentido anti-horário, começando de θ = 0°. Essa explicação inicial é para mostrar de que modo o comutador converte uma corrente contínua em corrente alternada a cada meio ciclo pela bobina de armadura.


120

A força eletromotriz (f.e.m.) induzida na bobina de armadura se alterna a cada meio ciclo, e depois é “retificada” nos terminais. A imagem a seguir apresenta a corrente e a força eletromotriz induzida na bobina em função do rotor.

FIGURA 7 – A CORRENTE E A F.E.M. INDUZIDA NA BOBINA


Para entendermos de uma forma simples o princípio de funcionamento de um motor genérico de corrente contínua, iremos fazer uma divisão em quatro passos:

• Passo 1: a bobina de uma espira é colocada de forma paralela ao campo, de modo que ela deve ficar completamente totalizada pelo campo magnético criado por um imã fixo. A bobina é alimentada pelo comutador, e a espira, então, é atravessada por uma corrente que produz outro campo magnético em volta dela, causando uma reação da bobina, podendo ser determinada pela regra da mão direita.

• Passo 2: após o giro da bobina, ela fica em uma posição que não é muito afetada pelas linhas de força, assim, não há reação entre o campo fixo e o campo da bobina. É importante, nesse passo, entender que a bobina continua girando devido à ação da força anterior.

• Passo 3: ocorre um fenômeno interessante, o comutador entra e acontece a inversão da posição da bobina. A função é garantir que a corrente circule em um único sentido. Nessa seção, o comutador inverte as pontas da bobina, como no primeiro passo, e assim, a corrente cria um campo magnético ao redor da bobina, que interage com o campo magnético fixo e produz uma ação na bobina.

• Passo 4: trata-se da posição intermediária, na qual a bobina está inclinada com um ângulo próximo de 30° em relação ao campo. Com a interação dos campos, a bobina sofre uma ação contínua e o ponto máximo se dá no primeiro ou terceiro passo. Até atingir o segundo passo, a força vai reduzindo de acordo com o crescimento do ângulo, em que 0° está no segundo passo. O motor sempre irá passar do segundo ao terceiro passo, ou do segundo ao primeiro. Isso acontece porque a força produzida no primeiro ou terceiro estágio suficiente para que exista um deslocamento maior que 90°.


121

Sendo assim, uma máquina de corrente contínua inicia o seu funcionamento quando nós alimentamos o circuito de campo com uma corrente contínua. Essa corrente gera um campo magnético constante que corta o rotor. Além do circuito de campo, o circuito de armadura também é alimentado por uma corrente contínua.

Os dois fluxos, da corrente de armadura e do fluxo magnético do campo da corrente de armadura cria um conjugado e o rotor gira. A armadura se movendo cria uma força chamada contra eletromotriz, que irá se opor à rotação.

Outro fundamento importante para conhecermos é o torque eletromecânico (TEM). Nas máquinas de corrente contínua, ele é calculado pela interação dos fluxos do estator e do rotor.

Para que o rotor gire de maneira contínua, cada polo indutor deve interagir sempre com o mesmo fluxo produzido pela corrente nos condutores da armadura. O torque eletromecânico se inverte somente quando a corrente de excitação (ou a corrente de armadura) é invertida. Caso, os dois fluxos sejam invertidos, o sentido do torque não se altera. O TEM pode ser calculado por meio da equação:

Nesse caso, ϕ é o fluxo magnético dado em Wb, IA é a corrente na armadura dado em A e K é a constante do motor. E a constante do motor é calculada da maneira a seguir:

Aqui, P é o número de polos, Z é o número de condutores da armadura e a é o número de caminhos paralelos dos condutores da armadura, a depender do tipo de enrolamento.

É importante atentarmos aos termos f.e.m e f.c.e.m., de modo que a f.e.m (força eletromotriz) está relacionada com a tensão aplicada na armadura. Essa tensão é encarregada pela corrente, que atravessada por ela, resulta na força motriz. Já na f.c.e.m. (força contra eletromotriz), a tensão é induzida na armadura. Essa tensão atravessa o campo gerado no estator, se pondo à f.e.m. Lembrando que a f.c.e.m. sempre está presente nos motores de corrente contínua.

ATENCAO


122

Para os motores com o enrolamento imbricado, o valor de a é o mesmo que o valor do número de polos.

4 PERDAS E RENDIMENTOS

Logo que foi descoberto o motor de corrente contínua, o mesmo se tornou popular. Um dos motivos dessa popularidade ocorre em decorrência das inúmeras aplicações, como em carros, os tratores e até mesmo em aviões. E algumas dessas aplicações ocorre porque o motor proporciona uma faixa ampla de velocidade.

Como observamos, o motor de corrente contínua se tornou popular rapidamente, até então, eram os preferidos para aplicações em que o controle de velocidade se fazia necessário. Com o passar do tempo, os retificadores e os inversores apareceram fortemente, fazendo com que o motor de corrente contínua disputasse espaço com eles.

Nos dias atuais, os motores de indução com unidades de acionamento de estado sólido são os preferidos quando precisamos fazer o controle de velocidade, mas cabe ressaltar que existem aplicações em que os motores de corrente contínua ainda são os mais escolhidos.

Os motores de corrente contínua podem ser comparados pela sua regulação de velocidade (RV), a qual é dada por:

Aproximadamente, o valor da regulação de velocidade indica o quanto é acentuada a inclinação da curva de conjugado versus velocidade.

Como todas as máquinas, os geradores de corrente contínua e os motores de corrente contínua não têm o seu aproveitamento total, isto é, nem toda a potência que entra na máquina é convertida em potência útil na saída. Essa diferença acontece devido às perdas que ocorrem durante todo o processo. Para realizarmos o cálculo da eficiência de uma máquina de corrente contínua, devemos recorrer à equação:


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A equação representa a diferença entre a potência de entrada e a potência de saída dessa máquina. Tal diferença corresponde justamente a perdas que ocorrem dentro da máquina. Essas perdas são as perdas elétricas ou no cobre, perdas nas escovas, perdas no núcleo, perdas mecânicas e perdas suplementares.

As perdas no cobre ocorrem nos enrolamentos da armadura e do campo e podem ser calculadas respectivamente através de (5) e (6):

Em que PA são as perdas na armadura, IA é a corrente de armadura e RA é a resistência de armadura.

No caso acima, PF são as perdas no campo, IF é a corrente de campo e RF é a resistência de campo.

Normalmente, usamos a resistência do enrolamento na temperatura normal de funcionamento, para que tais cálculos sejam utilizados.

As perdas associadas à queda de tensão nas escovas, PQE, são as perdas por potência perdida pelo potencial de contato das escovas da máquina, e são calculadas por:

Sendo que VQE é a queda de tensão nas escovas e IA é a corrente de armadura. Geralmente, a queda de tensão nas escovas é por volta de 2V.

Sobre as perdas no núcleo, elas estão associadas às correntes parasitas que estão presentes no metal do motor de corrente contínua, além da histerese.

As perdas mecânicas nas máquinas CC estão ligadas aos efeitos mecânicos. Elas podem ser classificadas em perdas mecânicas por atrito, sendo causadas pelo atrito dos enrolamentos, e as perdas mecânicas por ventilação, causadas pelo atrito entre as partes móveis da máquina e o ar que fica dentro do motor.


124

Definimos as perdas suplementares como aquelas que não se encaixam em nenhuma classificação já mencionada. Para a grande maioria das máquinas, essas perdas representam 1% da carga total.

ATENCAO

O diagrama de fluxo de potência é muito utilizado para podermos avaliar as perdas de potência que ocorrem no interior das máquinas. A imagem a seguir apresenta o diagrama de fluxo de potência de um gerador de corrente contínua, e depois, veremos o diagrama de fluxo de potência de um motor de corrente contínua.

FIGURA 8 – DIAGRAMA DE FLUXO DE POTENCIA DE UM GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: Chapman (2013, p. 457).

Notemos que a potência mecânica entra na máquina e em seguida, as perdas suplementares, mecânicas e as no núcleo são desconectadas. Após todos os descontos, a potência que sobrou é convertida da forma mecânica para a elétrica por meio de:

E a potência elétrica resultante por meio de:


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Cabe destacar que essa potência não é a dos terminais. Para calcular a potência dos terminais, devemos subtrair as perdas elétricas I2R e as perdas nas escovas.

FIGURA 9 – DIAGRAMA DE FLUXO DE POTENCIA DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: Chapman (2013, p. 457).

126


• As máquinas de corrente contínua são utilizadas em várias aplicações.

• Nem toda a potência que entra no motor e no gerador de corrente contínua é convertida em potência útil na saída.

• Quando aplicamos uma corrente no rotor de uma máquina de corrente continua, a direção se inverte a cada meio ciclo, do mesmo modo que a força eletromotriz induzida na bobina.

• Em uma máquina de corrente contínua, as peças mais largas que ficam próximas ao rotor são chamadas de sapatas polares.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Sabemos que as máquinas de corrente contínua podem funcionar tanto como motor quanto como gerador, além disso, são formadas por um enrolamento no rotor e outro enrolamento no estator. Sobre as máquinas de corrente contínua, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Em uma máquina de corrente contínua, quando uma corrente é aplicada ao rotor, a sua direção é invertida a cada meio ciclo.

b) ( ) A parte das peças polares que ficam mais perto do estator são mãos largas e chamadas de sapatas polares.

c) ( ) Uma máquina de corrente contínua, contém no seu interior somente correntes e tensões contínuas.

d) ( ) As máquinas CC são por um rotor que é onde fica o circuito de campo e um estator que é a onde está o circuito de armadura.

2 O motor de corrente contínua é composto por três partes: estator, rotor e comutador. Sobre as máquinas síncronas, analise as sentenças a seguir:

I- Uma máquina de corrente contínua também contém no seu interior correntes e tensões alternadas.

II- O motor de corrente contínua e o motor síncrono são parecidos, e uma das semelhanças é que os dois operam apenas na velocidade nominal.

III- O processo de conversão de corrente contínua em alternada em uma máquina de corrente contínua é chamado de comutação.



3 Um motor de corrente contínua é um motor que, ao invés de funcionar com corrente alternada, funciona por meio de uma corrente contínua, ou seja, é alimentado por uma corrente contínua. Sobre o exposto, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O comutator é um retificador mecânico da tensão e possui a mesma função dos diodos retificadores.

( ) Uma das principais características de um motor de corrente contínua é não possuir comutator.

( ) O comutator serve para garantir que o sentido das correntes no interior das bobinas tenha sempre a mesma direção.

AUTOATIVIDADE

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a) ( ) V – F – V.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 Tanto os geradores de corrente contínua quanto os motores de corrente contínua não possuem um total aproveitamento, ou seja, nem toda a potência que entra na máquina é transformada em potência útil na saída. Considere um motor que apresenta potência de entrada de 12kW, potência de saída de 10KW e perdas de 850W, em seguida, calcule o valor do rendimento desse motor.

5 Conforme estudamos, os geradores de corrente contínua, assim como os motores de corrente contínua, ambos passam por perdas durante o funcionamento. As perdas que ocorrem nas máquinas de corrente contínua são divididas em: perdas elétricas ou no cobre; perdas nas escovas; perdas no núcleo; perdas mecânicas; perdas suplementares. Considere um gerador com os seguintes valores: 10 KW, 240V e 1500 rpm. Esse gerador foi colocado para funcionar a vazio como motor para tornar possível a determinação de suas perdas. Descreva o cálculo do valor das perdas no cobre na armadura e no campo.

Dados: Durante o ensaio, a tensão aplicada aos terminais da armadura foi de 250V e a corrente solicitada pela armadura foi de 2,5 A. A resistência do campo do gerador é de 240Ω, enquanto a resistência medida do circuito da armadura é de 0,5 Ω.

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UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 2, abordaremos como é a corrente de partida de um motor de corrente contínua. Em seguida, veremos o DPP, trata-se de um dispositivo de proteção e partida, utilizado para proteger os motores.

Finalizaremos estudando a respeito dos circuitos equivalentes. De modo geral, é sempre conveniente discutir o gerador ou o motor de corrente contínua em termos de circuito equivalente.

2 CORRENTE DE PARTIDA DO MOTOR CC

No que diz respeito à partida de um motor de corrente contínua, devemos considerar que, assim como o motor de indução, dependendo da potência, o motor não pode ser ligado diretamente em uma fonte de corrente contínua, ou seja, aplicando tensão nominal em seus terminais. Isso acontece porque as características de construção do motor de corrente contínua permitem que a corrente de partida alcance os valores de 50 a 80 vezes o valor da corrente nominal.

É importante que o motor de corrente contínua possua, além da proteção para evitar o disparo do rotor, um dispositivo que possa limitar a corrente de partida. Na prática, a partida das máquinas de corrente contínua é realizada por dispositivos de proteção, as resistências externas, as quais são conectadas ao enrolamento de armadura. Outro modo de realizar a partida é controlando a tensão de armadura da máquina.

TÓPICO 2 —

MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

Agora, se o motor de corrente contínua for diretamente conectado na fonte, a corrente de partida pode ser extremamente perigosa para a máquina, isso ocorre devido à corrente de armadura no início da partida.

ATENCAO

130


A partida de um motor de corrente contínua com excitação independente (não há como controlar a corrente de campo nos outros tipos), ocorre de acordo com os passos a seguir:

• Passo 1: ajustar a fonte de corrente contínua (campo), para que no amperímetro possamos obter o valor da corrente nominal do circuito de campo (estator) da máquina.

• Passo 2: ajustar a fonte de corrente contínua (armadura), para que no voltímetro possamos obter o valor da tensão nominal do circuito do rotor da máquina.

• Passo 3: nessa etapa, o rotor começa a girar com a variação do reostato, gradativamente.

3 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO E PARTIDA

Para evitar as altas correntes nos motores de corrente contínua, há um dispositivo chamado DPP, ou seja, Dispositivo de Proteção e Partida. O DPP é utilizado para realizar a partida desses motores:

FIGURA 10 – DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO E PARTIDA

FONTE: Sen (1996, p.184).

Observando a imagem acima, temos que na partida da máquina CC, o contato é fechado na posição 1. Nessa posição, todas as resistências estão em série com o enrolamento de armadura para limitar a corrente de partida.

Quando o motor vai adquirindo mais velocidade, fecha-se o contato nas posições 2, 3 e 4, de modo que será mantido na posição 5 por meio do eletroímã atravessado pela corrente de campo.

TÓPICO 2 — MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

131

Podemos substituir esse método utilizando uma fonte de corrente contínua com um valor de tensão baixo na partida, e ir aumentando, gradativamente, conforme o motor vai ganhando velocidade. Para esse procedimento, é preciso que haja uma fonte de tensão variável, porém, aumentará o custo de implementação.

4 CIRCUITO EQUIVALENTE

Tanto a modelagem quanto o circuito equivalente de um motor (ou gerador) de corrente contínua são muito importantes, uma vez que por meio deles conseguimos realizar análises, fazer modificações e simulações para chegarmos em conclusões importantes.

O circuito equivalente de uma máquina CC é formado pelos circuitos do enrolamento de campo e pelo circuito de armadura. Modelamos o circuito do enrolamento de campo por uma resistência Rf e uma indutância Lf. Já o circuito de armadura é modelado pela resistência Ra e uma fonte. Lembrando que fonte é necessária para gerar a tensão induzida Ea.

Quando o caso não é muito crítico, podemos desprezar a queda de tensão

nas escovas, ou até mesmo, incluir no valor da resistência RA.

FIGURA 11 – CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA

FONTE: A autora.

A corrente de campo, IF, é dada pela equação:

Para a máquina de corrente contínua operar, é necessário um fluxo. Para criar esse fluxo, o enrolamento de campo é alimentado com tensão contínua, enquanto o enrolamento da armadura é alimentado na operação como motor. Essa configuração faz com que o sentido da corrente no enrolamento de armadura entre na máquina.

132


Na operação como gerador, quando conectamos uma carga aos terminais do circuito de armadura, o sentido da corrente (apresentado na imagem anterior) será saindo da armadura.

ATENCAO

Podemos escrever a tensão interna gerada por essa máquina pela equação:

Enquanto o conjugado induzido, pela equação:

Para analisar tanto o comportamento quanto o desempenho de um motor de corrente contínua, precisamos das duas equações, da curva de magnetização da máquina e também da equação das tensões da armadura.

Definimos um motor de corrente contínua de excitação independente como um motor, cujo circuito de campo é alimentado por uma fonte isolada de tensão constante. Já um motor de corrente contínua em derivação, ou shunt, é um motor em que, diferentemente do motor de excitação independente, o circuito de campo é alimentado de forma direta pelos terminais de armadura desse mesmo motor.

Quando a tensão da fonte de alimentação do motor for constante, na prática, não há diferença de comportamento entre esses motores. Aplicando a lei de Kirchhoff das tensões para o circuito de armadura dos dois motores, temos:

Vejamos, a seguir, o circuito equivalente de um motor de corrente contínua em derivação:


133

FIGURA 12 – CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA EM DERIVAÇÃO

FONTE: A autora.

Pela representação acima, temos que a corrente IL é dada pela equação:

Em um motor, as grandezas de saída são o conjugado no eixo e a velocidade. Desse modo, a característica de terminal de um motor é um gráfico: conjugado de saída X velocidade.

A característica de saída de um motor de corrente contínua em derivação é obtida por meio das equações da tensão induzida e do conjugado, juntamente com lei de Kirchhoff das tensões. Assim, após manipulações, temos que a velocidade do motor é dada pela equação:

Notemos que essa equação é a equação de reta com uma inclinação negativa. Podemos ver na imagem a seguir, a característica resultante de conjugado X velocidade de um motor de corrente contínua em derivação:

Enquanto IF, por:

134


FIGURA 13 – CARACTERÍSTICA DE CONJUGADO X VELOCIDADE DE UM MOTOR DE CORREN-TE CONTÍNUA EM DERIVAÇÃO OU DE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE, COM ENROLAMENTOS

DE COMPENSAÇÃO QUE ELIMINAM A REAÇÃO DE ARMADURA

FONTE: A autora.

Além dos termos constantes da equação, a reação de armadura pode afetar a forma da curva de conjugado X velocidade. Quando o motor CC apresenta reação de armadura, a carga aumenta e os efeitos de enfraquecimento de fluxo reduzem.

A seguir, observaremos a imagem que apresenta a característica de conjugado X velocidade de um motor de corrente contínua em derivação com reação de armadura.

Para a velocidade do motor poder variar de maneira linear com o conjugado, os outros termos da expressão precisam, necessariamente, estar constantes com a carga variando.

ATENCAO


135

FIGURA 14 – CARACTERÍSTICA DE CONJUGADO X VELOCIDADE DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA EM DERIVAÇÃO COM REAÇÃO DE ARMADURA

FONTE: A autora.

A respeito do gerador shunt, o campo shunt possui bobinas de fio e ferro laminado, de modo que cada bobina com centenas de metros de fio e o ferro formam um polo. Lembrando que o comprimento do fio tem um papel importante, afinal, é ele que controla a corrente.

Em um gerador de campo shunt, a potência só será produzida quando as linhas de força forem cortadas pelos condutores da armadura. A grande quantidade de fio no circuito do campo shunt também evita o superaquecimento das bobinas.

FIGURA 15 – ESBOÇO DO MODO QUE AS CONEXÕES POLO A POLO SÃO FEITAS EM UMA MÁQUINA DE DOIS POLOS

FONTE: Adaptada de Hand (2015).

136


O controle de um gerador shunt serve para diminuir um pouco a tensão do gerador. A resistência do controle diminui a corrente do campo shunt, assim, o fluxo cortado pelos condutores de armadura diminui, de modo que o resultado é uma tensão baixa.

Veremos agora como é realizado o ensaio de um motor CC. Antes, devemos considerar que a vantagem de realizar o ensaio de um motor CC é estudar as propriedades e características desses motores na prática. E também, por meio desse tipo de ensaio, podemos obter as curvas torque x velocidade dos motores de corrente contínua. Desse modo, para realizar o ensaio, iremos utilizar os seguintes equipamentos:

• motor de corrente contínua;• fonte CC ajustável;• eletrodinamometro com capacidade de aplicar cargas de até 3 nm;• tacômetro;• voltímetro;• amperímetro;• reostato.

O importante, nesse ensaio, é tomar muito cuidado na hora da realização, porque iremos trabalhar com níveis de tensão alta, as quais podem trazer risco à vida humana, além das partes mecânicas girantes que podem causar danos físicos.

Todas as ligações e alterações que precisarem ser feitas, sempre devem ser realizadas com todos os equipamentos desligados.

O motor realizado nesse ensaio tem as seguintes especificações: motor CC 0,25 HP, 1800 RPM, 120 V, 2,8 A, In enrolamento shunt = 0,3 A, In enrolamento série = 3 A, In armadura = 3 A.

Para realizar o ensaio, a primeira etapa é ajustar a linha neutra seguindo tais passos:

Nunca faça esses ensaios sem a supervisão e orientação de um técnico capacitado, ou então, do seu professor. Portanto, siga à risca todas as orientações de segurança. Lembre-se que antes de ligar o equipamento, você deve verificar as ligações, tomar nota dos dados e pedir ao professor para conferir o circuito.

ATENCAO


137

• Passo 1: montar o circuito (da imagem a seguir, intitulada com Circuito para montagem).

• Passo 2: aplicar 60 VCA e ajustar a tensão da fonte na armadura lentamente, observando a tensão no voltímetro ligado ao enrolamento shunt.

• Passo 3: devagar e com cuidado, as escovas devem ser movimentadas pelo dispositivo de ajuste, até que a tensão lida no voltímetro fique a menor possível.

• Passo 4: após esses procedimentos, a linha neutra foi ajustada, então, a fonte CA e o equipamento devem ser desligados.

FIGURA 16 – CIRCUITO PARA MONTAGEM

FONTE: A autora.

Agora, iremos determinar os parâmetros elétricos do motor para cada um dos enrolamentos, e em seguida, mediremos a resistência dos enrolamentos de dois modos: experimental e instrumental.

No ensaio, todas as partes do motor devem ser identificadas, e se for possível, devemos contar o número de lâminas do comutador, de escovas, de bobinas no estator e outras. Desse modo, vamos aos passos:

• Passo 1: anotar os dados, como o número de escovas, número de lâminas no comutador e quantidade de grupos de bobinas no estator.

• Passo 2: identificar os enrolamentos no motor e medir com o ohmímetro a resistência dos enrolamentos do motor, isto é, enrolamento série, enrolamento shunt e armadura.

• Passo 3: ligar a fonte ajustável CC ao enrolamento shunt (conforme a imagem a seguir, Circuito shunt). Ajustar a fonte em 0V, conectar o voltímetro, e por fim, conectar o amperímetro ao circuito.

138


FIGURA 17 – CIRCUITO SHUNT

FONTE: A autora.

• Passo 4: aumentar devagar a tensão da fonte, sempre observando o voltímetro e o amperímetro. Quando a corrente atingir o valor da corrente nominal do shunt, parar e registrar o valor da tensão.

• Passo 5: desligar a fonte e calcular o valor da resistência do enrolamento com os valores medidos pela Lei de Ohm, e assim, comparar com a resistência medida diretamente.

• Passo 6: calcular a potência dissipada pelo enrolamento. • Passo 7: calcular as potências nos enrolamentos série e armadura, utilizando

a resistência e a corrente nominal dos enrolamentos.• Passo 8: somar as potências individuais dos três enrolamentos.

• Passo 9: aplicar 120V no enrolamento de armadura de forma isolada e anotar a corrente circulante nesse enrolamento. Verificar se o valor ultrapassa o nominal.

• Passo 10: aplicar 120V no enrolamento shunt de forma isolada e anotar a corrente circulante no enrolamento. Verificar se o valor ultrapassa o nominal.

Agora, faremos o ensaio de um motor de corrente contínua série. Nesse ensaio, iremos verificar alguns parâmetros do motor série, como velocidade, torque, respostas com carga e corrente de armadura.

Esse valor deve ser próximo à potência total da máquina.

IMPORTANTE


139

Vejamos, então, como funciona o passo a passo:

• Passo 1: ligar o motor de corrente contínua, o voltímetro e o amperímetro de acordo com a figura a seguir:

• Não ligar a fonte CC.

FIGURA 18 – ENSAIO MOTOR SÉRIE

FONTE: A autora.

• Passo 2: acoplar o dinamômetro ao motor de corrente contínua, ajustando para a metade. Como ele estará desligado, basta gerar o reostato até a metade do curso à direita.

O motor série pode atingir velocidades bem altas, sendo assim, devemos seguir todos os procedimentos, e pedir ao professor ou ao técnico responsável que verifique as ligações antes de ligarmos.

ATENCAO

O motor série não deve partir sem carga.

IMPORTANTE

140


• Passo 3: ajustar a fonte para 0V e ligar os terminais + e –.• Passo 4: aumentar devagar a tensão da fonte CC. Lembrar que o sentido de

rotação do motor deve ter o mesmo sentido do dinamômetro, ou seja, sentido horário. Caso o sentido seja anti-horário, é preciso desligar a fonte e inverter o enrolamento série.

• Passo 5: ajustar a fonte para 120Vcc.• Passo 6: ler e registrar a corrente indicada no amperímetro.• Passo 7: medir e registrar a rotação do motor de acordo com a tabela 1.• Passo 8: medir a corrente e a velocidade para cargas ajustadas no dinamômetro

entre 0 e 1,4nm, de acordo com a tabela:

TABELA 1 – MOTOR SÉRIE

FONTE: A autora.

Cabe destacar que, quando o motor está com carga baixa, a sua velocidade passa para a velocidade nominal do motor, sendo assim, o motor não pode ficar rodando com essas condições.

• Passo 9: desligar a fonte.• Passo 10: com a tabela preenchida, é preciso fazer o gráfico que representa as

características de torque e velocidade do motor.

O próximo ensaio corresponde ao motor shunt. Nesse ensaio, observa-remos algumas características, como velocidade, torque, respostas com carga e corrente de armadura.

Nesse caso, também é fundamental manter o cuidado, pois o motor shunt pode atingir velocidades bem perigosas. Desse modo, devemos seguir rigorosamente todos os passos. Vejamos, então, quais são os passos:

• Passo 1: fazer as ligações elétricas conforme indicado na figura a seguir:• Não ligar a fonte.


141

FONTE: A autora.

• Passo 2: acoplar o dinamômetro no motor e ajustar para carga mínima, 0 nm. • Passo 3: verificar se o reostato está com resistência igual a 0 entre os terminais

conectados ao circuito.• Passo 4: ligar a fonte CC e ajustar a tensão devagar para 120Vcc. • Passo 5: verificar o sentido de rotação, caso não seja o ideal, voltar a 0V, desligar

a fonte e inverter a ligação do shunt. Repetir o quinto passo novamente.• Passo 6: medir a rotação no motor com um tacômetro, e ajustar o reostato

devagar, até que tenha aproximadamente uma rotação de 1800 RPM.• Passo 7: registrar os valores de tensão, corrente e velocidade de acordo com

a tabela.

TABELA 2 – MOTOR SHUNT

FONTE: A autora.

• Passo 8: desligar a fonte, e a partir dos dados inseridos na tabela, construir o gráfico velocidade X torque.

• Passo 9: calcular a regulação de velocidade do motor shunt para carga de 1nm, de acordo com a equação seguinte, e depois ajustar o dinamômetro para a carga máxima:

• Passo 10: ligar a fonte CC e aumentar a tensão até que apareça no amperímetro a corrente nominal da armadura.

FIGURA 19 – LIGAÇÕES PARA O ENSAIO

142


Devemos observar que o motor pode girar lentamente ou até mesmo não girar.

ATENCAO

• Passo 16: verificar quantas vezes a corrente de partida é maior que a corrente nominal à plena carga.

Adiante, faremos o ensaio para o motor compound, de modo que iremos medir a velocidade, o torque, as respostas com carga e a corrente de armadura. Assim como os demais, o motor compound diferencial pode atingir velocidades altas, desse modo, devemos fazer todas as ligações com calma, sem alterações, e antes de ligar o motor, pedir para que o técnico ou o professor verifique as ligações. Considerando esses fatores, vejamos o passo a passo a seguir:

• Passo 1: repita os primeiros passos do motor série para ter certeza da direção de rotação.

• Passo 2: voltar a fonte a 0 e desligue.• Passo 3: montar o circuito da figura a seguir, conectando o shunt em paralelo

com o conjunto armadura e campo série.

FIGURA 20 – LIGAÇÃO PARA O MOTOR COMPOUND

FONTE: A autora.

• Passo 11: anotar a tensão lida no voltímetro e o valor da carga no dinamômetro. • Passo 12: calcular a resistência do circuito pela lei de Ohm.• Passo 13: calcular a corrente de partida quando se aplicar 120V ao motor. • Passo 14: calcular a potência para o torque de 1nm.• Passo 15: calcular a eficiência do motor por meio da equação:


143

• Passo 4: acoplar o dinamômetro ao motor e ajustar para carga mínima, 0nm.• Passo 5: certificar se o reostato está com resistência 0 entre os terminais

conectados ao circuito.• Passo 6: ligar a fonte CC e ajustar a tensão aplicada para 120Vcc. • Passo 7: verificar a rotação do motor, de modo que ela não deve ultrapassar a

nominal do motor. Se estiver muito alta, essa ligação é a compound diferencial. Então, desligue a fonte e inverta a ligação do shunt. Desse modo temos a ligação compound cumulativo.

• Passo 8: ligar a fonte novamente e ajustar para 120V.• Passo 9: ajustar o reostato até o tacômetro marcar 1800 RPM e registrar os

valores de corrente, tensão e velocidade na tabela.

TABELA 3 – MOTOR COMPOUND

FONTE: A autora.

• Passo 10: desligar a fonte CC, e a partir dos dados da tabela, fazer o gráfico torque X velocidade.

• Passo 11: ajustar o dinamômetro para o valor máximo de carga.• Passo 12: ligar a fonte CC e aumentar a tensão até marcar no amperímetro a

corrente nominal da armadura, em seguida, anotar.• Passo 13: calcular a resistência pela lei de Ohm, com os valores da tensão que

aparecem no voltímetro e o valor da carga do dinamômetro. • Passo 14: calcular a corrente de partida quando se aplica 120V.• Passo 15: calcular a potência o motor para um torque de 1nm.• Passo 16: calcular a eficiência do motor:

• Passo 17: verificar quantas vezes a corrente de partida é maior do que a corrente nominal à carga de 1nm.

• Passo 18: após realizar todos os ensaios, anotar na tabela os resultados:

144


TABELA 4 – RESULTADOS

FONTE: A autora.

Em seguida, responder: Qual motor possui o maior torque? Qual motor possui a melhor regulação? Qual motor tem a melhor eficiência?

145

RESUMO DO TÓPICO 2


• Se o motor de corrente contínua for diretamente conectado em uma fonte, a corrente de partida pode ser extremamente perigosa.

• Para criar o fluxo que a máquina de corrente contínua precisa para funcionar, o enrolamento de campo deve ser alimentado com tensão contínua e o enrolamento da armadura deve ser alimentado na operação como motor.

• As grandezas de saída de um motor são o conjugado no eixo e a velocidade, e assim, a característica de terminal de um motor é um gráfico: conjugado de saída X velocidade.

• A curva de conjugado X velocidade pode ser afetada pela reação de armadura.

146

1 Os motores de corrente contínua estão entre os principais tipos de motores elétricos que existem. Até hoje, ele continua sendo usado, de modo que uma de suas características é a simplicidade de controle da velocidade, com base na tensão aplicada. Sobre as máquinas de corrente contínua, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Na prática, a partida das máquinas de corrente contínua é realizada por resistências externas conectadas ao enrolamento de armadura.

b) ( ) A f.c.e.m. está relacionada com a tensão aplicada na armadura. c) ( ) A f.e.m. é a tensão induzida na armadura.d) ( ) Se o motor apresentar reação de armadura, quando a carga aumentar

os efeitos de enfraquecimento de fluxo, irão aumentar o fluxo.

2 As máquinas de corrente contínua demonstram características diferentes conforme é realizada a conexão dos enrolamentos de campo e armadura. Sobre máquinas de corrente contínua, analise as sentenças a seguir:

I- Para evitar as altas correntes nos motores de corrente contínua, há um dispositivo chamado DPP.

II- A reação de armadura não está relacionada, portanto, não pode afetar a forma da curva de conjugado X velocidade.

III- Em um motor, as grandezas de saída são o conjugado no eixo e a velocidade.



3 Podemos dizer que as máquinas de corrente contínua nada mais são do que equipamentos utilizados em aplicação de conversão eletromecânica de energia. Do mesmo modo que as outras máquinas, elas podem trabalhar tanto como gerador quanto motor, podendo ser ligados de diversas formas. Em relação às máquinas de corrente contínua, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) Um motor de corrente contínua de excitação independente é um motor em que o circuito de campo é alimentado por uma fonte isolada de tensão constante.

( ) Um motor de corrente contínua em derivação, ou shunt, é um motor em que o circuito de campo é alimentado de forma direta pelos terminais de armadura desse mesmo motor.

AUTOATIVIDADE

147

( ) A partida de um motor de corrente contínua pode ser dada diretamente em uma fonte de corrente contínua.



4 As máquinas de corrente contínua são muito utilizadas na indústria, em aplicações que necessitam de flexibilidade no controle de velocidade e conjugado. Para acionar as rodas de um carro elétrico, são utilizados motores iguais de corrente contínua, com enrolamento de campo em derivação. Cada um dos motores é alimentado por um banco de baterias idênticas, com tensão nominal de 500V. Ao escolher uma velocidade, foi determinado que todos os motores de corrente contínua apresentavam resistência de campo de 70Ω, resistência de armadura de 0,3Ω e força contra eletromotriz de 450V. Descreva o cálculo da potência mecânica desenvolvida pela armadura de cada motor.

Observação: desconsidere a queda de tensão nas escovas.

5 Na operação como gerador, quando uma carga é conectada aos terminais do circuito de armadura, o sentido da corrente será sempre saindo da armadura. Considerando que um gerador de corrente contínua possua uma resistência de campo de 150Ω e enrolamento de campo alimentado em 250V, calcule a tensão gerada quando o eixo é acionado à 160 rad/s.

Dados: constante geométrica, K = . 0, 876 V/(A rad/s).

149

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Acadêmico, no Tópico 3, abordaremos alguns tipos de ligações dos motores de corrente contínua para evitar acidentes sérios e prejuízos.

Começaremos, então, estudando sobre a ligação shunt e suas aplicações. Em seguida, veremos a ligação série e como ela pode ser utilizada.

Por fim, iremos aprender o modo de ligação compound, que nada mais é do que uma ligação composta de série e shunt. Esse modo pode ser cumulativo e diferencial.

2 SHUNT

A maioria dos enrolamentos do rotor é formado por bobinas pré-fabricadas em forma de diamante. Essas bobinas são inseridas nas ranhuras da armadura. Cada bobina é formada por diversas espiras de um fio condutor, e cada espira é encapada e isolada das demais espiras e da ranhura do rotor. Sendo assim, nós chamamos de condutor cada lado de uma espira. O número de condutores da armadura da máquina de corrente contínua, Z, é expresso pela equação:

Na qual, C é o número de bobinas no rotor e NC é o número de espiras por bobina.

Os enrolamentos podem ser instalados nas ranhuras do rotor, quando isso acontece os eles devem ser conectados nos segmentos do comutador. Existem várias maneiras de realizar essas ligações e configurações, resultando em vantagens e desvantagens.

Além disso, os enrolamentos podem ser classificados em relação à multiplicidade: enrolamentos simples, com um único enrolamento, e enrolamento duplo, com dois conjuntos completos e independentes de enrolamentos (CHAPMAN, 2013).

TÓPICO 3 —

TIPOS DE MOTORES DE CC

150


Outro modo de classificação ocorre na maneira como a conexão da bobina é realizada: se o final de uma bobina for conectado ao segmento do lado do seu segmento inicial, ela é chamada de enrolamento progressivo, mas se no final for conectado a um segmento atrás do inicial, será denominado enrolamento regressivo.

Os principais motores de corrente contínua são de excitação independente, de derivação, de imã permanente, de série e o composto. Nós iremos conhecer três deles, começando com o shunt.

Podemos, também, chamar o motor shunt de motor paralelo ou derivação. Nessa ligação, o shunt fica em paralelo com a armadura e ambos estão ligados à alimentação. Caso seja necessário diminuir o fluxo gerado e aumentar a velocidade, podemos colocar em série, com o shunt, um reostato. Porém, devemos tomar muito cuidado para que o campo não seja eliminado totalmente.

A imagem a seguir apresenta a ligação do motor CC em shunt. Geralmente, a armadura é formada com menos espiras que o enrolamento shunt do estator, além de fio mais.

FIGURA 21 – MOTOR SHUNT

FONTE: A autora.

O campo magnético no estator e o campo magnético na armadura interagem, de modo que o resultado dessa interação é o movimento de rotação e o torque. No motor shunt, a armadura, o enrolamento shunt e a alimentação

Existe também uma classificação de enrolamentos que se caracteriza de acordo com a sequência das conexões com o comutador, desse modo, podem ser enrolamentos imbricados e enrolamentos ondulados.

ATENCAO

TÓPICO 3 — TIPOS DE MOTORES DE CC

151

estão em paralelo, desse modo, se não houver variação dessa tensão, teremos uma rotação constante na ausência de carga na ponta do eixo do motor.

Quando adicionamos uma carga nesse motor, a velocidade diminui um pouco e o aquecimento também. Isso só acontece por causa da resistência no enrolamento da armadura, isto é, quanto menor ela for, menor será a perda da velocidade com aumento da carga. O aquecimento acontece por causa da resistência mecânica do eixo, que causa a diminuição da força contra eletromotriz, e consequentemente, o aumento da corrente na armadura para que o torque seja mantido.

O cálculo da corrente de partida do motor shunt é dado por:

Sendo que BD é a queda de tensão nos contatos das escovas, RA é a resistência no circuito da armadura e VA é a tensão nos terminais da armadura.

A ligação shunt possui uma excelente vantagem quando está sem carga, pois, esse tipo de ligação impede que o motor alcance velocidades altas. A força eletromotriz é a responsável por isso. Conseguimos um aumento na velocidade quando diminuímos a tensão no enrolamento shunt. Para isso, utilizamos um reostato, no entanto, esse caso é muito perigoso.

Outra vantagem, ainda, dessa ligação, é a boa regulação de velocidade. Isso é possível porque quando aumentamos a carga, a força contra eletromotriz é reduzida, e assim, há um aumento da corrente de armadura, mantendo o torque.

3 SÉRIE

Nesse tipo de ligação, sem carga, o torque de partida é muito alto e a velocidade do motor pode ser tão elevada que ocasionará a destruição do motor. Por esse motivo, é muito recomendável que com essa ligação, os motores partam

Nunca devemos abrir o shunt, porque a velocidade do motor ficará altíssima e pode causar riscos as pessoas.

ATENCAO

152


com carga. Nesse tipo de ligação, os enrolamentos da armadura e o de série do estator são ligados em série e à fonte:

FIGURA 22 – MOTOR SÉRIE

FONTE: A autora.

Na ligação série, quando o motor é ligado sem a presença de carga, o campo magnético no estator dependerá da corrente absorvida. Quando a corrente é baixa, o campo magnético irá induzir, na armadura, uma força contra eletromotriz baixa e uma velocidade considerável, por causa da corrente e da força eletromotriz presente na armadura. Aumentando a carga, o campo do estator e a corrente de armadura também aumentam, gerando uma queda forte de velocidade.

Se fizermos uma comparação entre o motor shunt e o motor em série,

contataremos que o motor série tem um ótimo torque de partida, porém, a regulação de velocidade é ruim. Isso acontece porque aumentando a carga, temos um aumento da corrente, e assim, a queda de velocidade. Aumentando a corrente, a velocidade diminui, pois, há uma força contra eletromotriz mais forte. O motor série, então, é ótimo em aplicações com alta carga de inércia, por exemplo, os trens e aplicações com forte tração.

Para o motor série, a equação da lei Kirchhoff para as tensões é dada por:

A velocidade da máquina é expressa por:


153

Sendo que c é a constante de proporcionalidade.

O motor série apresenta uma grande desvantagem: quando o seu conjugado vai a zero, a sua velocidade vai a infinito. Se pensarmos na prática, o conjugado nunca pode ir a zero, pois, existem perdas mecânicas no núcleo e em suplementares. Contudo, se nenhuma carga mecânica for acoplada no motor, ele gira muito rápido, consequentemente, o motor pode ser danificado.

Concluímos, desse modo, que jamais devemos deixar um motor de corrente contínua série sem carga, assim como não podemos acoplar uma carga mecânica por meio de alguma correia ou outro mecanismo que possa se romper.

4 COMPOSTO

O motor composto também é chamado de compound. Trata-se de um motor ligado em paralelo e série. Há dois tipos de compound: o cumulativo e o diferencial. Qual dos dois irá atuar, depende do modo que o enrolamento shunt é ligado, e para mudar de um tipo para o outro, nós devemos inverter a bobina de shunt.

FIGURA 23 – MOTOR COMPOUND

FONTE: A autora.

A ligação compound combina o melhor das outras duas ligações, a shunt é a série. Com o shunt, temos uma ótima regulação de velocidade, já com o série temos um ótimo torque de partida. O motor compound é aplicado quando é necessário obter velocidade constante, mas com a carga variando de forma extrema.

Quando pensamos em usar o motor composto, é para o aproveitamento do alto torque da ligação série. Quando não há nenhuma carga ou é muito pequena, logo depois usamos a variação baixa da velocidade do motor shunt em várias situações diferentes de carga.

No início, o motor é conectado no modo série e o enrolamento shunt em paralelo junto com a armadura e enrolamento série. Chamamos de motor compound acumulativo quando o enrolamento shunt produz um campo

154


magnético com mesma direção e sentido do campo produzido no enrolamento série. Desse modo, o motor possui um torque alto na partida, velocidade limitada e baixa variação de velocidade.

No motor compound, quando o enrolamento shunt for ligado para produzir um campo magnético contrário ao campo magnético produzido no enrolamento série, serve para aplicações que necessitam de motores que aceitem alta queda na velocidade com o aumento da carga.

O enrolamento série ativo no motor produz um campo oposto ao campo do

enrolamento shunt, desse modo, reduz o campo resultante e aumenta a velocidade. A consequência é a queda de velocidade com o aumento da carga. Tal técnica é chamada de compound diferencial, e a aplicação é limitada, em decorrência do risco de instabilidade, ou seja, o motor pode disparar sob algumas condições.

Caso haja uma aplicação em que o uso do compound diferencial seja extremamente necessário, na maioria das vezes, o fabricante produz motores com um fraco campo do enrolamento série, reduzindo os riscos.

A equação da lei de Kirchhoff das tensões para um motor de corrente contínua é a mesma do motor série, mudarão apenas as relações entre as correntes IA 21:

O motor CC composto possui campos em derivação e em série. Uma composição aditiva ou cumulativa acontece quando a corrente entra nos terminais com marcas das duas bobinas de campo. Já a composição diferencial ocorre quando a corrente entra no terminal com marca de uma bobina de campo e sai com marca da outra bobina de campo, subtraindo a força magnetomotriz.

E IF:

Existem situações em que, após ser utilizada a característica do motor série, o enrolamento que está em série pode ser curto-circuitado, para que não haja nenhum tipo de interferência na regulação do enrolamento shunt.

ATENCAO


155

FIGURA 24 – CIRCUITO EQUIVALENTE DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA COMPOSTOS COM LIGAÇÃO EM DERIVAÇÃO CURTA

FONTE: A autora.

O motor de corrente contínua composto cumulativo une as melhores características dos motores em derivação, ou seja, sem carga, a velocidade não dispara e também em série, pois esse tipo de motor apresenta um conjugado extra para a partida.

Quando há cargas leves, o campo em série tem um efeito praticamente desprezível, o que faz levar o motor a se comportar aproximadamente como um motor de corrente contínua em derivação. Quando a carga se torna muito grande, o fluxo do enrolamento em série passa a ser bastante importante, e a característica de conjugado X velocidade começa a se tornar semelhante à curva característica de um motor série.

Por fim, para controlar a velocidade de um motor de corrente contínua composto cumulativo, podemos:

• mudar a resistência de campo (RF); • mudar a tensão de armadura (VA);• mudar a resistência de armadura (RA).

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MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA, CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES!

Henrique Mattede

Provavelmente você já viu algum motor de corrente contínua ou pelo menos algum equipamento que possua este tipo de motor. Se você não conhece os motores de corrente contínua, fique tranquilo, porque o Mundo da Elétrica explica neste artigo o que são os motores de corrente contínua, como funciona um motor CC, quais são os tipos de motor CC e suas respectivas aplicações. Vamos lá pessoal!

Motor de corrente contínua: o que é?

Os motores de corrente contínua (motor CC) são máquinas de corrente contínua (MCC), isto é, funcionam tanto como motores quanto geradores de energia elétrica. Como o próprio nome indica, os motores CC são acionados por uma fonte de corrente contínua.

Eles são motores que possuem imãs permanentes, ou então, têm campo e armadura, neste caso não possuem ímãs permanentes. Os motores de corrente contínua são muito usados e possuem diversas aplicações, como brinquedos, eletrodomésticos, máquinas industriais, veículos elétricos, entre outros.

Motor de corrente contínua: principais partes

O motor CC possui diversas partes que são essenciais para o seu funcionamento. Abaixo temos uma imagem que apresenta a estrutura interna de um motor de corrente contínua.

https://www.mundodaeletrica.com.br/motor-de-corrente-continua-caracteristicas-e-aplicacoes/#bio

https://www.mundodaeletrica.com.br/tipos-de-motores-eletricos-quais-sao/


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Para facilitar o entendimento sobre o funcionamento do motor de corrente contínua, ele é constituído basicamente pelo enrolamento de armadura, enrolamento de campo, comutador e as escovas, em que:

• Enrolamento de armadura: é localizado na parte girante do motor de corrente contínua (rotor), que é responsável por produzir o torque elétrico que o movimenta quando opera como motor, bem como a tensão de saída quando opera como gerador.

• Enrolamento de campo: é a parte fixa da máquina (estator), responsável por criar o fluxo magnético que irá atravessar a armadura. Nele é formado os polos magnéticos norte e sul, criando-se um campo de excitação. Além disso, é importante mencionar o estator do motor CC também pode ser feito por ímãs permanentes.

• Comutador: tem a função de manter a corrente circulando sempre no mesmo sentido na armadura, ou seja, faz com que o torque gerado esteja sempre no mesmo sentido. Quando estão operando como gerador, o comutador tem a função de manter a tensão gerada sempre com a mesma polaridade.

• Escovas: são geralmente feitas de carvão, encarregadas de fazer o contato do enrolamento de armadura para que se possa injetar energia elétrica no enrolamento. Quando está funcionando como gerador ela retira a energia elétrica do enrolamento.

Motores de corrente contínua: vantagens e desvantagens

• São muitas as vantagens dos motores de corrente contínua, dentre elas, podemos citar:

• controle de velocidade para uma ampla faixa de valores acima e abaixo do valor nominal;

• é possível acelerar, frear e reverter o sentido de rotação de forma rápida;• não está sujeito à harmônicos e não possui consumo de potência reativa;• permite variar a sua velocidade mantendo seu torque constante;• possui um alto conjugado de partida, que também conhecido como torque ou

força de arranque;• os conversores necessários para o seu controle são menos volumosos.

Apesar das vantagens, os motores de corrente contínua também apresentam algumas desvantagens, tais como:

• possui maior manutenção devido aos desgastes entre as escovas com o comutador, exceto para os motores brushless;

• em relação aos motores de indução CA de mesma potência possuem um preço e tamanho maiores;

• por causa da centelha que ocorre entre suas escovas e os comutadores, com exceção dos motores brushless, os motores de corrente contínua não podem operar em ambientes explosivos.

Motores de corrente contínua: modelagem

https://www.mundodaeletrica.com.br/formulas-de-potencia-quais-sao/

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Um fenômeno descrito em termos de símbolos e relações matemáticas, que reproduz ou transcreve o objeto estudado, é denominado como modelo matemático. Portanto, abaixo temos representado o modelo de um motor de corrente contínua.

Modelagem de um motor de corrente contínua:

• Va =Tensão de armadura;• Ia = Corrente de armadura;• La = Indutância do enrolamento de armadura;• Ra = Resistência do enrolamento de armadura;• Ea = Tensão induzida na armadura;• Vf = Tensão de campo;• If = Corrente de campo;• Lf = Indutância do enrolamento de campo;• Rf= Resistência do enrolamento de campo;• φf = Fluxo magnético do enrolamento de campo.

Motores de Corrente Contínua: classificação

Podemos classificar os motores de corrente contínua de acordo com o modo de conexão do indutor e das bobinas induzidas, sendo classificados como motor série, motor paralelo, motor composto e motor de excitação independente, em que:

Motor série

O motor em série possui esta definição pois os enrolamentos do indutor e da armadura são ligados em série, se destacando por conter um alto torque e rápida aceleração. Devido às suas características o motor série é muito usado em aplicações em que é necessária maior tração, como em trens elétricos, bondes elétricos e guinchos elétricos.


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Motor paralelo

Também conhecido como motor de derivação ou motor shunt, o motor paralelo este nome porque o indutor e os enrolamentos induzidos são ligados em paralelo. Ele tem como característica a fácil regulagem de sua velocidade, e é um tipo de motor muito utilizado em máquinas, ferramentas, elevadores, esteiras etc.

Motor composto

Conhecido por alguns como motor misto, o motor composto apresenta as características dos motores série e dos motores paralelos. Ele possui dois enrolamentos de indutor, um em série com o enrolamento induzido e o outro em paralelo.

Este motor tem como característica manter firme a sua velocidade ao estar operando com carga, por isso, o motor composto é muito usado em acionamento de máquinas que são submetidas à bruscas variações de cargas, como prensas e tesouras mecânicas.

Motor de excitação independente

O motor de excitação independente recebe este nome pelo fato de o seu indutor e a sua armadura serem alimentados por duas fontes de energia independentes. Os motores CC com excitação independente são utilizados normalmente em acionamentos de máquinas operatrizes, por exemplo, ferramentas de avanço, bombas a pistão, compressores, entre outras aplicações que é necessário um torque constante em toda a faixa de rotação.

Motor de passo

Os motores de passo são de corrente contínua e possuem várias bobinas, que quando são energizadas de acordo com uma sequência, fazem com que o seu eixo se mova de acordo com ângulos exatos, submúltiplos de 360.

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Os motores de passo são usados em aplicações que exigem uma alta precisão, como exemplo de aplicação, podemos citar as impressoras tradicionais, impressoras 3D e em muitos outros sistemas de controle de posição. Apesar de o motor de passo ter uma alta precisão, ele possui um torque muito baixo, sendo que quanto maior sua precisão menor será o seu torque.

Servo motor

Conhecidos como servo, o servo motor é muito utilizado em aplicações de robótica. Ele é basicamente um motor que podemos controlar a sua posição angular por um sinal PWM, utilizado para posicionar e manter um objeto em uma determinada posição. Diferentemente dos motores de passo, que podem ser rotacionados livremente, o eixo de um servo motor não costuma ter tanta liberdade em seus movimentos, que geralmente é de apenas 180º.

Motor brushless

Motor brushless significa motor sem escova, ou seja, este é um tipo de motor que não precisa de escovas para funcionar. Os motores brushless são similares aos motores de corrente contínua (CC) tradicionais com escova, porém, são comutados eletronicamente (ESM), de modo que podem ser alimentados por uma fonte de corrente contínua.

Por possuir uma comutação sem escovas (brushless), o motor brushless é mais eficiente, necessita de menos manutenção, menor geração de ruídos, possui uma maior densidade de potência e faixa de velocidade, comparando com os motores de comutação por escovas. Devido às diversas vantagens do motor brushless, ele é muito usado em drones e aeromodelos, além de ser leve e ter grande velocidade de rotação

Como nem tudo é perfeito, o motor brushless contém uma eletrônica que contribui para um maior custo de aquisição, além de normalmente ser mais complexo que os motores de comutação por escovas.

Além dos motores CC, existem muitos outros tipos de motores, como os motores de indução monofásicos e trifásicos.

FONTE: Adaptado de <https://www.mundodaeletrica.com.br/motor-de-corrente-con-tinua-caracteristicas-e-aplicacoes/>. Acesso em: 25 jul. 2020.

https://www.mundodaeletrica.com.br/motor-de-corrente-continua-caracteristicas-e-aplicacoes/

https://www.mundodaeletrica.com.br/motor-de-corrente-continua-caracteristicas-e-aplicacoes/

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RESUMO DO TÓPICO 3


• Para reduzir os riscos e prejuízos, existem três modos de ligar um motor de corrente contínua: shunt, série e composto (ou compound).

• A ligação compund foi criada para aproveitar somente as melhores características do motor shunt e do motor série.

• A ligação série tem um torque de partida muito bom e uma regulação de velocidade ruim.

• A ligação shunt possui uma boa regulação de velocidade.


CHAMADA

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1 Os motores têm a função de converter energia elétrica em energia mecânica de rotação e são responsáveis pelo funcionamento de muitos equipamentos em nossas casas, como as máquinas de lavar, os ventiladores e outros. Sobre as características dos motores de corrente contínua, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A velocidade no motor shunt é praticamente constante.b) ( ) O motor de corrente contínua série, em relação a outros tipos de motor

de corrente contínua, apresenta uma excelente regulação de velocidade.c) ( ) Um motor de corrente contínua com ligação série possui um torque de

partida baixo.d) ( ) O motor brushless é um motor que não possui escovas, por esse motivo

tem um desempenho pior que os demais.

2 O motor de corrente contínua possui algumas partes essenciais para o seu funcionamento, como os enrolamentos e o comutator. Com base no seu conhecimento sobre motores de corrente contínua, analise as sentenças a seguir:

I- No motor e corrente contínua, do tipo shunt, a armadura não possui comutator e escovas.

II- São três tipos de motores de corrente contínua: série, shunt e compound.III- No motor shunt, a armadura e o enrolamento estão ligados em paralelo

com a alimentação.


a) ( ) As sentenças II e III estão corretas.b) ( ) Somente a sentença II está correta.c) ( ) As sentenças I e III estão corretas.d) ( ) Somente a sentença III está correta.

3 A energia elétrica utilizada para a distribuição e também para o transporte de energia elétrica até as nossas casas e fábricas, é a corrente alternada, entretanto, os motores de corrente contínua ainda são muito utilizados nas indústrias. De acordo com os conhecimentos adquiridos sobre as máquinas de corrente contínua, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:

( ) O motor de corrente contínua tipo série é muito utilizado nos trens, porque uma de suas características é possuir um alto torque de partida.

( ) O acionamento de elevadores é feito por motores de corrente contínua tipo série.

( ) Um motor de corrente contínua tipo série sempre deve partir com carga.

AUTOATIVIDADE

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a) ( ) V – F – F.b) ( ) V – F – V.c) ( ) F – V – F.d) ( ) F – F – V.

4 Quando aplicamos uma tensão nos terminais da armadura, para iniciar a rotação do motor, a velocidade é nula. Após o início do funcionamento, alguns fatores limitam a corrente, que são a queda de tensão nos contatos das escovas e a resistência no circuito da armadura. Considere um motor de corrente contínua com ligação shunt de 240V, resistência de armadura de 0,5Ω e queda de tensão de 5V no contato das escovas. Em seguida, descreva o cálculo da corrente no instante da partida e o percentual em relação à corrente nominal.

Dado: corrente nominal a plena carga é de 80 A.

5 Existem cinco tipos principais de motor de corrente contínua: o de excitação independente, o de derivação, o de imã permanente, o de série e o composto. Explique sobre o motor shunt.

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REFERÊNCIAS

CARVALHO, G. Máquinas elétricas - teoria e ensaios. São Paulo: Saraiva, 2011.


HAND, A. Motores elétricos. Porto Alegre: Grupo A, 2015.

MOHAN, N. Máquinas elétricas e acionamentos - curso introdutório. São Paulo: LTC, 2015.

NOVICKI, V. O. Máquinas elétricas I. Porto Alegre: Grupo A, 2018.

SEN, P. C. Principles of electric machines and power electronics. Nova Jersey: John Wiley & Sons, 1996.

UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.

práticas de máquinas elétricas

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