1) CONCEITOS ELEMENTARES
As máquinas elétricas rotativas são equipamentos destinados a converter energia mecânica em energia elétrica, ou vice-versa. No primeiro caso elas recebem o nome de motores elétricos e, no segundo, geradores elétricos. O processo de conversão se realiza por meio dos fenômenos estuda-dos e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo:
• Lei da indução eletromagnética, Lenz-Faraday
• Lei do circuito elétrico, lei de Kirchhoff
• Lei circuital do campo magnético, lei de Ampére
• Lei da força atuante sobre condutor situado em um campo magnético, lei de Biot-Savart
As máquinas elétricas são projetadas e construídas de forma tal a realizarem com a máxima facilidade e eficiência possíveis o processo de conversão. Elas possuem, basicamente duas partes: uma parte que é fixada ao solo ou a alguma outra superfície, chamada de estator e uma parte móvel montada sobre um eixo, alojada no interior do estator de forma a permitir sua rotação, chamada rotor.
O que distingue uma máquina elétrica na sua operação como motor ou gerador é o sentido do percurso da energia através dela: no gerador, energia mecânica “entra” na máquina pelo eixo do rotor, atravessa, por meio do fluxo magnético, o espaço estreito existente entre o rotor e o estator chamado entreferro, é convertida em energia elétrica e “sai” pelos terminais do estator. No motor elétrico é exatamente o contrário: energia elétrica “entra” na máquina pelos terminais do estator, atravessa o entreferro, é convertida em energia mecânica disponível no eixo do rotor. Assim, uma primeira e importante qualidade das máquinas elétricas rotativas é que uma mesma máquina pode operar como motor ou como gerador.
Quanto à natureza da corrente, as máquinas elétricas podem ser de corrente contínua (CC) ou de corrente alternada (CA). Os campos de aplicação dessas máquinas são distintos como será mostrado posteriormente, mas os princípios que governam os seus desempenhos são os mesmos, havendo apenas algumas particularidades de natureza construtiva que as diferenciam.
A lei de Lenz-Faraday, e = - dl/dt, descreve, sob os pontos de vista quantitativo e de sentido,a indução de tensões produzidas por um fluxo magnético que varia no tempo. A conversão eletromecânica da energia ocorre quando a variação do fluxo magnético é provocada por um movimento mecânico rotativo. Nas máquinas elétricas rotativas, as tensões são induzidas em grupos de bobinas que estão ligadas entre si segundo uma determinada ordem, formando os enrolamentos, basicamente, de três maneiras:
1ª) Fazendo girar um campo magnético constante (imã permanente ou criado por corrente
contínua) de forma que as linhas de força do campo enlacem as bobinas. O enrolamento
se encontra montado na parte fixa da maquina denominada armadura ou estator e o flu-
xo magnético é criado na parte rotativa denominada rotor. Os geradores síncronos são
exemplos típicos desta montagem.
2ª) A armadura e o seu enrolamento giram, enquanto o campo magnético constante produzido por imã permanente ou por corrente contínua é montado na parte fixa da máquina.O enrolamento da armadura é enlaçado no seu movimento rotativo pelas linhas de força do fluxo magnético. As máquinas de corrente contínua são construídas segundo esse modelo.
3ª) O enrolamento da armadura está montado no estator e é alimentado por corrente alternada capaz de criar um campo girante no espaço. O fluxo desse campo enlaça o enrolamento montado no rotor, nele induzindo tensões e correntes. As máquinas de indução constituem o exemplo típico desta montagem.
Tanto as bobinas da armadura quanto as do rotor são enroladas sobre núcleos de ferro que reduzem a relutância magnética ao fluxo que as enlaça. Devido ao ferro da armadura ser submetido também às variações do fluxo magnético, nele, por sua vez, são induzidas correntes que não contri-buem para o desempenho da máquina, pelo contrário, são perdas que aquecem a máquina e afetam o seu rendimento. Os núcleos são montados como pacotes de chapas de aço de espessura reduzida que diminuem os efeitos dessas correntes chamadas correntes de Foucault ou correntes parasitas. O espaço entre o rotor e a armadura ou estator é chamado de entreferro e, por ser de ar, nele se con-centra a maior parte da relutância do circuito magnético no interior da máquina.
maquinas sincrono elementar
A figura 1.1 representa de uma forma muito simplificada um gerador síncrono monofásico de CA. Este tipo de máquina, apesar de poder ser construída, não existe na prática. Ela serve apenas para fins de estudo. É chamada gerador elementar. O enrolamento da armadura é constituído de uma única bobina de N espiras que estão concentradas em duas únicas ranhuras diametralmente opostas na periferia interna do estator. Quando o rotor girar, acionado por um órgão primário, o fluxo magnético através da bobina vai variar e serão induzidas tensões no enrolamento da armadura.
A seção transversal dos dois lados da bobina é indicada pelas letras +a e –a. Os condutores que formam estes dois lados da bobina são paralelos ao eixo da máquina e são ligados em série por conexões nas extremidades, não mostradas na figura. O enrolamento que produz o campo magnéti-co no rotor é alimentado por corrente contínua que é conduzida até ele por meio de escovas de car-vão que deslizam sobre anéis coletores. O rotor gira a uma velocidade constante, acionado por um órgão primário (uma turbina hidráulica ou a vapor nas centrais hidrelétricas ou térmicas) acoplado mecanicamente ao eixo do rotor. Os caminhos do fluxo magnético estão indicados por linhas trace-jadas.
A distribuição espacial da indução magnética B no entreferro é mostrada na figura 1.2 em função do ânguloè ao longo da periferia interna do estator. A forma de onda da indução magnética das máquinas reais pode se aproximar de uma onda senoidal pela conformação adequada da forma das sapatas polares.
À medida que o rotor gira, o fluxo magnético associado à onda de indução magnética enlaça a bobina de N espiras do estator induzindo nela uma tensão e, função do tempo e com a mesma forma de onda da distribuição espacial. A tensão induzida passa por um ciclo completo de valores para cada rotação da máquina de 2 polos da fig.1.1.
1- Desenhe, de uma forma simplificada, o enrolamento do estator de um motor elétrico monofásico de 2 e 4 pólos. Suponha que o enrolamento esteja sendo percorrido por uma corrente elétrica. Mostre em ambos os casos a formação dos pólos nos enrolamentos
2- Desenhe, de forma simplificada, o enrolamento do estator de uma máquina elétrica trifásica de 2 e 4 pólos. Numere as bobinas, faça uma ligação entre elas de modo a se obter uma ligação triângulo. Mostre em ambos os casos a formação dos pólos nos enrolamentos quando eles são percorridos por uma corrente trifásica equilibrada. Faça os desenhos para dois instantes das cor-rentes para verificar o sentido de rotação do campo magnético.
3- Demonstre que dois campos magnéticos pulsativos defasados no espaço e no tempo de 90º elétricos criam um campo magnético girante.
4- Em uma máquina monofásica há um campo magnético pulsativo criado pela corrente i = Im cos Ωt. Demonstre que este campo pulsativo é a resultante de dois campos girantes que giram em sentidos opostos, com a mesma freqüência angular Ω, cuja amplitude é a metade da amplitude do campo pulsativo.
parabéns, muito boa a ideia.
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