APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
Elaborado por:
Professor Luiz Sérgio B Marques
Ana Barbara K. Sambaqui
Janderson Duarte
Instituto Federal de Santa Catarina-Campus Joinville, Julho 2013
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Motores Elétricos: Controle de Velocidade e Partida, Notas de aula de Casamento e Psicologia Familiar
Este documento aborda diversos aspectos relacionados aos motores elétricos, com foco no controle de velocidade e métodos de partida. São discutidas as curvas de velocidade, o controle da velocidade, os métodos de partida e o princípio de funcionamento dos motores de corrente contínua e síncronos. Também são abordadas questões relacionadas à eficiência e fator de potência dos motores de indução trifásicos, bem como os métodos de partida para motores monofásicos.
Tipologia: Notas de aula
2024
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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
Elaborado por:
Professor Luiz Sérgio B Marques
Ana Barbara K. Sambaqui
Janderson Duarte
Instituto Federal de Santa Catarina-Campus Joinville, Julho 2013
ÍNDICE
Figura 51– Partida de motor de indução com fase dividida. .............................................................. 46 Figura 52– Eficiência nominal para motores padrão e de alto rendimento. ...................................... 50 Figura 53 – Diagrama para o motor de indução monofásico. ............................................................ 56 Figura 54– Curva de torque em função da velocidade do rotor. ........................................................ 56 Figura 55– Campo magnético pulsante devido ao duplo campo magnético girante. ........................ 57 Figura 56– (a) Diagrama para o método de partida com enrolamento auxiliar. (b) Diagrama de Fasores. .............................................................................................................................................. 58 Figura 57– (a) Diagrama para o método de partida com capacitor de partida. (b) Diagrama de Fasores. .............................................................................................................................................. 59 Figura 58– (a) Diagrama para o método de partida com enrolamento auxiliar e capacitor permanentes. (b) Gráfico torque percentual em função do percentual da velocidade síncrona......... 59 Figura 59- (a) Diagrama para o método de partida com capacitor de partida e capacitor permanente. (b) Gráfico torque percentual em função do percentual da velocidade síncrona. .............................. 59 Figura 60– Motor de indução monofásico com capacitor permanente. ............................................. 60 Figura 61– Conjunto servomotor e servoconversor. .......................................................................... 61 Figura 62– Servomotor com excitação independente e respectiva curva de conjugado versus velocidade. ......................................................................................................................................... 62
1 INTRODUÇÃO
Esta apostila foi elaborada para auxiliar nos estudos dos alunos nos cursos técnicos de eletroeletrônica e no curso tecnólogo em mecatrônica ofertadas no campus Joinville na disciplina de Máquinas Elétrica e Conversão de Energia. Esta apostila deve ser tratada como material auxiliar e as diversas outras literaturas sobre o assunto também devem ser utilizadas. Nesta apostila são tratados alguns pontos considerados importantes sobre alguns dos principais motores, expostos em forma de texto, ilustrações e também exercícios propostos. A apostila está dividida da seguinte forma: primeiro é apresentado a Máquina de Corrente Contínua, em seguida é apresentada a Máquina Síncrona, em seguida é apresentado o motor de Indução trifásico, em seguida é apresentado o motor de Indução Monofásico, em seguida é apresentada o Motor de Passo, em seguida é apresentado o servo-motor e finalmente o motor universal.
Figura 2 - Enrolamentos de armadura e de campo.
O princípio de funcionamento elementar de um motor de corrente contínua está baseado na força eletromagnética que atua sobre cada condutor imerso em um campo magnético, quando sobre ele circula uma corrente elétrica. Como a força útil que atua em cada condutor está a uma distância R (raio) do centro do rotor, o somatório da contribuição de todos os conjugados dá origem ao conjugado do motor. A Figura 3 apresenta o primeiro e Segundo estágios do funcionamento do motor CC.
Figura 3 – Primeiro e Segundo Estágios de Funcionamento do Motor CC. Na Figura 3 o imã representa o enrolamento de campo onde a parte de baixa está o polo sul e a parte de cima o polo norte do imã. O enrolamento de armadura é então conectado a uma fonte CC através das escovas e do comutador. Começa a circular corrente pelo enrolamento de armadura no sentido indicado na Figura 3, devido a essa corrente um campo magnético é gerado em torno da condutor da armadura, cujo sentido é dado pela regra da mão direita, este campo interage com o campo do imã e então uma força surge com sentido indicado na Figura 3 e faz com que o enrolamento de armadura gire. A Figura 4 apresenta o terceiro e quarto estágio do funcionamento do motor CC.
Figura 4 - Terceiro e Quarto Estágio de Funcionamento do Motor CC.
Como pode ser observado na Figura 4 entre o segundo e o terceiro estágio a corrente continua no mesmo sentido do enrolamento de armadura e também na fonte de alimentação, fazendo assim com que a força sobre o enrolamento de armadura possua sempre o mesmo sentido. O comutador faz com o sentido seja o mesmo, ou seja, ele faz a retificação mecânica, caso o contrário a corrente na fonte de alimentação seria alternada e consequentemente a força resultante sobre o enrolamento de armadura seria nula. O princípio de funcionamento do motor de corrente contínua também pode ser entendido através do princípio de atração e repulsão entre campos magnéticos, devido à interação do campo magnético criado pelas bobinas de campo com o campo magnético criado pelas bobinas de armadura, conforme ilustrado na Figura 5.
Figura 5 – Atração e repulsão entre campos magnéticos.
A Figura 6 permite visualizar que a retificação mecânica é realizada pelo conjunto comutador (fabricado em cobre) e escova (fabricado em carvão e grafito). A escova 1, posicionada próxima ao pólo norte magnético, sempre estará em contato com o segmento positivo do comutador. A escova 2, posicionada próxima ao pólo sul magnético, sempre estará em contato com o segmento negativo do comutador.
Figura 6– Processo de retificação mecânica.
A Figura 7 mostra a forma de onda para a tensão induzida, alternada, e a forma de onda para a tensão após a retificação, contínua.
O torque desenvolvido quando o enrolamento de armadura conduz uma corrente elétrica e encontra-se imerso em um campo magnético produzido pelo enrolamento de campo, é determinado através da equação (3).
T Ka I a (3)
Onde: T – Torque ou conjugado em (Nm – Newton.Metro); Ia – Corrente de armadura em Amperes. No caso de um motor de corrente contínua ideal, a potência elétrica de entrada deve ser igual à potência mecânica de saída, como mostra a equação (4). O inverso é verdadeiro para a máquina funcionando como gerador.
Ea Ia T m (4)
Exemplo: Considere uma máquina de corrente contínua de quatro pólos, funcionando a 150 rotações por minuto, com constante de máquina igual a 73,53 e fluxo por pólo igual a 27,6mWb. Determine a tensão gerada e o torque desenvolvido pelo motor quando a corrente de armadura for igual a 400A. Qual a potência de entrada para esta máquina? R: Ea =31,88V; T =811,77Nm ; Pin =12,752kW
2.4 GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA
A geração de corrente contínua é obtida quando uma máquina primária é conectada ao eixo de uma máquina de corrente contínua, aplicando a este eixo um conjugado mecânico e imprimindo uma determinada velocidade à máquina. Os geradores de corrente contínua são classificados da seguinte forma: Gerador com excitação de campo independente. Gerador com excitação de campo paralelo. Gerador com excitação de campo série. Gerador com excitação de campo composta. Em todas as configurações, nas diversas aplicações, é essencial conhecer o comportamento da tensão nos terminais do gerador com a variação da corrente de carga, conhecida como característica externa do gerador. Entretanto, devido ao fato deste aprofundamento não fazer parte do objetivo principal para o presente texto, serão abordadas apenas as características básicas para cada configuração.
2.4.1 Gerador com Excitação Independente
Nesta configuração o enrolamento de campo deve ser alimentado por uma fonte de corrente contínua independente. Esta fonte de alimentação pode ser outro gerador de corrente contínua, uma fonte retificada ou até mesmo uma bateria. A Figura 9 ilustra esta configuração para o gerador de corrente contínua.
Figura 9 - Gerador cc com excitação independente.
2.4.2 Gerador com Excitação de Campo Paralelo
Nesta configuração o enrolamento de campo é conectado em paralelo com o enrolamento de armadura. O enrolamento de armadura fornece a alimentação necessária ao enrolamento de campo. Surge então a pergunta: como é possível o enrolamento de armadura fornecer uma tensão para alimentar o enrolamento de campo, se o primeiro necessita do segundo como fonte de força magneto motriz? A resposta reside na capacidade do material ferromagnético de reter uma determinada densidade de fluxo residual. Este magnetismo residual é o responsável por gerar uma pequena tensão nos terminais de saída do gerador, tensão esta que irá realimentar o enrolamento de campo, aumentando desta maneira o fluxo por pólo necessário para que o gerador atinja a tensão de saída nominal em seus terminais de saída. Este processo é conhecido como Escorvamento do gerador de corrente contínua. A Figura 10 apresenta o circuito para o gerador de corrente contínua com excitação de campo paralelo.
Figura 10 - Gerador cc com excitação de campo paralelo.
2.4.3 Gerador com excitação de campo série
O gerador com excitação de campo série possui a peculiaridade de que é necessária uma carga conectada entre seus terminais de saída para que exista uma corrente no enrolamento de campo. Como a corrente de armadura é a responsável pela excitação do enrolamento de campo, é
Motor derivação. Motor série. Motor de excitação composta.
2.5.1 Motor com Excitação Independente
No motor com excitação independente o enrolamento de campo é conectado a uma fonte de tensão independente e o enrolamento de armadura é conectado a outra fonte, não tendo nenhuma ligação entre os dois enrolamentos. A Figura 13 apresenta o circuito esquemático do motor com excitação de campo independente.
Figura 13 – Motor com Excitação Independente.
2.5.2 Motor Derivação
A Figura 14 mostra um circuito esquemático para o motor derivação. O enrolamento de armadura e o enrolamento de campo estão dispostos em paralelo e conectados a uma fonte de alimentação contínua. Um reostato externo pode ser utilizado para controlar a velocidade do motor através do controle do fluxo produzido pelo enrolamento de campo, ou pode-se variar a tensão de alimentação da fonte.
Figura 14– Motor derivação.
Os motores de corrente contínua são utilizados em muitas aplicações. Algumas aplicações requerem que a velocidade permaneça constante à medida que varia a carga aplicada ao eixo do motor. Em outras aplicações, é necessário variar a velocidade dentro de uma determinada faixa. O técnico responsável pela escolha do motor para uma determinada aplicação deve conhecer a curva da velocidade em função do torque. A Figura 15 apresenta esta curva para o motor derivação.
Figura 15 – Curva velocidade de rotação em função do torque desenvolvido.
2.5.3 Motor Série
A Figura 16 mostra o circuito equivalente do motor série. Um reostato externo em série com o enrolamento de armadura pode ser utilizado para controlar a velocidade do motor. As equações (5) e (6) são as principais equações para o motor série. A equação (6) permite concluir que o motor série não deve ser utilizado sem carga, pois nessas condições, a corrente de armadura Ia é muito pequena e a velocidade de rotação muito elevada, podendo atingir valores perigosos.
V Ea Ia ( Ra Rf ) (5)
sr a
a a f m (^) K I
V I R R
O motor série gira lentamente com cargas pesadas e muito rapidamente com cargas leves. Se a carga for retirada completamente, a velocidade aumentará perigosamente, podendo até despedaçar o motor, pois a corrente de armadura será muito pequena. A redução no valor da corrente drenada pelo motor implica em redução do fluxo devido ao enrolamento de campo série. A força contra eletromotriz responsável por limitar a corrente de armadura, de acordo com a equação (1), para manter-se constante, requer um aumento na velocidade da máquina para compensar o efeito na redução do fluxo por pólo. Dessa maneira, o motor poderá não girar com velocidade suficiente para gerar uma força contra eletromotriz capaz de restabelecer o equilíbrio. Os motores tipo série nunca devem funcionar sem carga, e raramente são usados com transmissão por correias, em que a carga pode ser removida.
Figura 18 – Curvas de velocidade em função do torque para motores de corrente contínua.
A Figura 19 apresenta as curvas características de tensão por corrente em geradores de corrente contínua. Pode se observar que o motor CC sem carga não gera tensão nenhuma, pois sem carga não corrente no enrolamento de campo e não existindo o campo também não haverá tensão induzida.
Figura 19 – Curvas de Tensão em Função da Corrente para Geradores de Corrente Contínua.
2.6 VELOCIDADE E INVERSÃO DO SENTIDO DE ROTAÇÃO DO MOTOR
O torque desenvolvido por um motor para movimentar uma determinada carga depende da intensidade de corrente que a armadura solicita da fonte de alimentação. Quanto maior a carga, maior deve ser o conjugado e consequentemente maior a intensidade de corrente. Se a carga for menor, o torque será menor e a intensidade de corrente também. Para se obter um torque maior, o motor necessita girar a uma velocidade menor. Portanto, a velocidade de um motor de corrente contínua depende da carga acoplada ao eixo. O sentido de rotação de um motor depende do sentido do campo magnético e do sentido da corrente na armadura. Se for invertido o sentido do campo ou da corrente, a rotação do motor também inverterá. Entretanto, se os dois forem invertidos ao mesmo tempo, o motor continuará a girar no mesmo sentido.
2.7 VARIAÇÃO DA VELOCIDADE DE UM MOTOR
A velocidade de um motor de corrente contínua depende da intensidade do campo magnético, do valor da tensão aplicada e da carga. Se a intensidade de campo diminui, a velocidade aumenta, tentando manter a força contra eletromotriz. Se o enrolamento de campo se abrisse, restaria apenas o magnetismo residual e a velocidade aumentaria perigosamente, tentando manter a força contra eletromotriz necessária para se opor à tensão aplicada. Com uma carga leve, ou sem carga, um circuito de campo aberto poderia causar um aumento de velocidade tal que o motor se despedaçaria. As laminas do comutador e outras partes da máquina seriam arremessadas para longe podendo causar ferimentos graves nas pessoas próximas à máquina. A velocidade do motor pode ser controlada através do controle da corrente de campo, utilizando um reostato, ou através do controle da tensão aplicada, utilizando-se conversores estáticos. Se uma fonte de tensão alternada, a rede de alimentação, por exemplo, for retificada, ela pode ser utilizada para converter uma fonte de alimentação alternada fixa em uma fonte de alimentação contínua variável. Através da variação da tensão aplicada ao motor de corrente contínua, é possível variar a velocidade de rotação do mesmo. A Figura 20 mostra um conversor estático muito utilizado para realizar este controle de velocidade, empregando retificadores controlados a tiristor para retificar a tensão alternada e variar a tensão contínua aplicada à máquina.
Figura 20 – Controle da velocidade do motor de corrente contínua.
- Um gerador derivação, 250V, 150kW, possui uma resistência de campo igual a 50Ω e uma resistência de armadura igual a 0,05Ω. Calcule: a) A corrente de plena carga. R: It=600A b) A corrente de campo R: If=5A c) A corrente de armadura R: Ia=605A d) A tensão gerada na situação de plena carga. R: Ea=280,3V
- Supondo excitação de campo constante, calcule a tensão a vazio de um gerador com excitação independente cuja tensão de armadura é 150V em uma velocidade de 1800 rpm, quando: a) A velocidade aumenta para 2000 rpm. R: Ea_2000=166,7V b) Avelocidade é reduzida para 1600 rpm. R: Ea_1600=133,3V
- A regulação de tensão de um gerador CC de 250V é 10,5%. Calcule a tensão do gerador sem carga. R: Vsem_carga=276,3V
- A tensão sem carga de um gerador CC é 135V, e sua tensão a plena carga é 125V. Calcule a regulação de tensão para o gerador. R: Reg=8%
3 AULAS PRÁTICAS MÁQUINAS CC
3.1 AULA PRÁTICA 1 : GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA
Montar o circuito acima esquematizado. Alimentar o enrolamento de campo derivação ou “shunt” com uma fonte de alimentação cc independente. Que tipo de gerador utiliza esta configuração:
Alimentar o motor de indução, regular a corrente de campo e medir a tensão gerada. Icampo Vgerada 0 0,06 A 0,08 A Desconectar o enrolamento de campo da fonte cc independente e conectar o enrolamento derivação em paralelo com o enrolamento de armadura. Que tipo de gerador utiliza esta configuração: _________________________________ Alimentar o motor de indução e medir a tensão gerada. VG = __________ V Desconectar o enrolamento de campo derivação em paralelo com o enrolamento de armadura. Conectar o enrolamento de campo série em série com o enrolamento de armadura. Que tipo de gerador utiliza esta configuração: __________________ Alimentar o motor de indução e medir a tensão gerada. VG = __________ V Explicar a diferença nos valores para as tensões geradas nas três configurações. Por que a tensão gerada na configuração com enrolamento de campo série é aproximadamente igual à tensão gerada na configuração com enrolamento de campo com excitação independente quando a corrente de campo é zero?