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Copy of AULA 27 - ET017 Circuitos e Eletrotécnica

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by

Daniel Dotta

on 1 November 2016

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Transcript of Copy of AULA 27 - ET017 Circuitos e Eletrotécnica

Prof. Daniel Dotta
Motores de Indução

(aula 27)

Universidade Estadual de Campinas
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS E ENERGIA

Características Construtivas
Características Construtivas
Características Construtivas
Campo Magnético Girante
Enrolamento monofásico excitado por uma corrente senoidal.
Campo Magnético Girante
Campo Magnético Girante
Lista de exercícios
EX:
exercícios do livro do Gilmar Barreto recomendados (pág. 257-262): 10.1 - 10.37.
Perguntas
Um motor de indução trifásico, Delta - 220 V, 60 Hz, rotor tipo gaiola de esquilo, aciona uma bomba d'água.
a) Qual a importância da seqüência de fases na ligação elétrica do motor? Justifique fisicamente.
b) Descreva um método para limitar a corrente na partida. Justifique fisicamente.
Em um motor de indução trifásico, 4 pólos, 60 Hz, o escorregamento é de 5%. Obtenha a velocidade do rotor.
Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, a velocidade síncrona é de 900 rpm. Obtenha a quantidade de pólos no estator.
Em um motor de indução trifásico, 60 Hz, o eixo gira a 1140 rpm. Obtenha a velocidade síncrona, a quantidade de pólos e o escorregamento.
Máquinas Elétricas Rotativas
Aplicações
Conversão Eletromecânica de Energia
Campo Magnético Girante
Comentários Gerais

A principal aplicação da máquina de indução é como motor.

Devido à sua construção mais simples, o motor de indução, apresenta um custo menor e também devido à sua robustez (manutenções menos frequentes) é o motor mais utilizado na indústria, principalmente os com rotor tipo gaiola.

A velocidade do rotor depende da frequência da rede elétrica, do número de polos do motor e da carga mecânica (a velocidade decresce ligeiramente com o acréscimo de carga).
EFEITO II – Força Eletromagnética: quando um condutor, atravessado por
corrente elétrica
, é imerso em um
campo magnético
, surge sobre o condutor uma
força mecânica
;

f
=
B
il
(Força de Lorentz)
Máquinas elétricas fazem a interface entre um sistema mecânico e um sistema elétrico;
O acoplamento entre os dois sistemas ocorre através do campo magnético;
São denominadas
máquinas CA
quando ligadas a um sistema de corrente alternada;
São denominadas
máquinas CC
quando ligadas a um sistema de corrente contínua.
Motivações
Máquinas Elétricas Rotativas
Conversão Eletromecânica de Energia
Máquinas CA são ditas:
Síncronas:
quando a velocidade do eixo estiver em sincronismo (velocidade igual) com a freqüência da tensão elétrica de alimentação;

Assíncronas:
quando a velocidade do eixo estiver fora de sincronismo (velocidade diferente) com a freqüência da tensão elétrica de alimentação. Quando as correntes no rotor surgem somente devido ao efeito de indução (sem alimentação externa), a máquina é denominada de indução

Máquinas de corrente contínua
(CC),
máquinas de indução
(assíncrona) e
máquinas síncronas
representam os três maiores grupos com aplicações práticas.
Máquina de Indução (MI ou Máquina Assíncrona)
MI > 90% dos motores na indústria
MI ~ 25% da carga elétrica brasileira
Países industrializados – 40% a 70% da carga
Máquina robusta, compacta e barata
MI gaiola de esquilo – sem contato elétrico com parte girante
Baixo requisito de manutenção
Maior vida útil da máquina
Regra da mão direita para determinar o sentido da força
Enrolamento trifásico.
Revisão
Produção de um campo magnético







“Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge em torno dele um campo magnético”

Lei circuital de Ampère.
Revisão








Constatações:
Ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro no instante em que a chave é fechada ou aberta (fonte CC).
Para corrente constante (chave fechada), independentemente de quão elevado seja o valor da tensão aplicada, não há deslocamento do ponteiro.
Revisão
Lei de Faraday.







Constatações
:
Ao se aproximar ou afastar o ímã do solenóide (bobina) ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro.
Quando o ímã está parado, independentemente de quão próximo este esteja do solenóide, não há deslocamento do ponteiro do galvanômetro.
Revisão
Lei de Faraday.







A lei de Faraday declara que:
“Quando um circuito elétrico é atravessado por um fluxo magnético variável, surge uma tensão induzida atuando sobre o mesmo.”
A lei de Faraday também declara que:
“A tensão induzida no circuito é numericamente igual à variação do fluxo que o atravessa.”
Revisão
Lei de Faraday.








Formas de se obter uma tensão induzida:
Provocar um movimento relativo entre o campo magnético e o circuito.
Utilizar uma corrente variável para produzir um campo magnético variável.
Revisão
Lei de Lenz.










“A tensão induzida em um circuito fechado por um fluxo magnético variável produzirá uma corrente de forma a se opor á variação do fluxo que a criou”
Enrolamento monofásico excitado por uma corrente constante.
Campo magnético constante
Na direção da fase a (unidirecional).
Campo magnético pulsante
Na direção da fase a (unidirecional).
Campo Magnético Girante
Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e defasadas de 120 graus, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos distam 120 graus entre si, produzem um campo magnético girante de intensidade constante
Campo Magnético Girante
Campo Magnético Girante
Velocidade do campo girante em uma máquina multi-pólos.
Campo Magnético Girante
Módulo constante.
A velocidade do campo magnético girante depende da frequência da rede elétrica e da quantidade de pólos por fase.
A sequencia de fase determina o sentido de rotação do campo girante.
Expressão para o cálculo da velocidade de rotação do campo magnético girante também conhecida como velocidade síncrona (ws):


fe é a frequência das correntes trifásicas nas bobinas do estator, p é a quantidade de pólos por fase.
Obs.: A constante 120 concilia a unidade de fe (Hz) com a unidade de ws (rpm).
Princípio de Funcionamento
Estator constituído por três enrolamentos defasados de 120 graus energizados por uma fonte trifásica.
O fluxo produzido nos enrolamentos do estator é girante com a velocidade síncrona da tensão de alimentação.
Princípio de Funcionamento
Princípio de Funcionamento
O rotor é uma peça maciça, cilíndrica, de material ferromagnético, em cuja superfície são incrustadas barras de alumínio ou cobre, curto-circuitadas nas extremidades através de anéis condutores. Esta estrutura é conhecida como gaiola de esquilo.
No rotor surgirão correntes induzidas devido a variação do campo girante produzido pelo estator. As correntes induzidas produzem uma segunda distribuição de fluxo no rotor.
A produção de torque ocorre devido a busca de alinhamento entre os fluxos girantes do estator e do rotor.
Princípio de Funcionamento
Este torque mecânico acelerará o rotor que começará a girar.
A velocidade do rotor aumentará até atingir um ponto de equilíbrio.
A velocidade do rotor no ponto de equilíbrio é
menor
que a velocidade do campo girante.
Por que?
Princípio de Funcionamento
Se a velocidade do rotor for igual ao do campo girante.
Fluxo magnético concatenado entre as bobinas seria constante.
Não há indução de tensão no rotor.
A velocidade do rotor diminui com o aumento da carga mecânica.
Maior corrente induzida para produzir maior campo magnético.
O MI possui conjugado de partida.
Alta taxa de variação de fluxo, produzindo um elevado conjugado de partida
O MI consome potência reativa da rede.
Corrente de magnetização alta por motivo do entreferro.
Princípio de Funcionamento
A diferença relativa entre as velocidades angulares das correntes do estator (ws) e do rotor (wr) define o
escorregamento
da máquina de indução.




Em geral, o escorregamento é expresso em porcentagem, variando a plena carga entre 1 a 5%, dependendo do tamanho e do tipo do motor.
Identificação (Dados de placa)












Para instalar adequadamente um motor, é imprescindível que se saiba interpretar os seguintes dados de placa.
Rendimento
Potência de saída ou potência no eixo: geralmente expressa em CV ou HP e eventualmente em kW. Potência de entrada menos as perdas no cobre (do estator e do rotor), no núcleo (do estator e do rotor) e perdas por atrito, resistência ao ar e ventilação.
Potência de entrada: expressa em kW.
Corrente nominal ou corrente de plena carga: é a corrente consumida pelo motor quando ele fornece a potência nominal a uma carga.
n = Psaida / Pentrada
Rendimento
Métodos para a Limitar a Corrente de Partida
No instante de acionamento (partida) do motor de indução, este se comporta como um transformador cujo enrolamento secundário corresponde ao do rotor parado e curtocircuitado.

Na partida, a resistência do rotor é muito baixa, resultando em correntes de 5 a 8 vezes o valor nominal.

A circulação dessa corrente provoca uma queda de tensão elevada no alimentador, além de provocar sobre aquecimento (danos ao circuito de isolação) da máquina, caso essa corrente circule por um longo período de tempo.

Devido a esses motivos, a máquina de indução deve partir com tensão reduzida ou outro método que diminua a corrente de partida.
Partida Direta
Chave Estrela-Triângulo
Esse método também é empregado pra alimentar a máquina com tensão reduzida durante a partida.





Durante a partida os contatos são fechados no ponto 1, fazendo com que os enrolamentos do estator sejam conectados em estrela (Y) com a rede. Assim, a tensão aplicada sobre o enrolamento na partida será:
Chave Estrela-Triângulo
Em velocidade nominal, o contatos são chaveados para o ponto 2, e os enrolamentos são alimentados com a tensão terminal nominal.







Esse método provoca redução do torque de partida.
Soft-starter (chave eletrônica de partida)
Utilizando-se um conjunto de tiristores em anti-paralelo, pode-se partir a máquina com tensão reduzida (diminuindo a corrente de partida).









Também reduz o torque de partida, portanto, usualmente a tensão de partida aplicada é em torno de 30-60% da tensão nominal.
Produz distorção harmônica.
Conversor Eletrônico com Tensão e Freqüência Variável

Pode ser usado um conversor eletrônico com capacidade de controlar a magnitude e a freqüência da tensão para a partida suave da máquina, mantendo a corrente limitada a um valor pré-especificado (em inglês:
Variable Frequency Drive
).
A principal vantagem é a capacidade de fornecer torque de partida nominal durante todo o processo de partida (i.e., em qualquer velocidade) e simultaneamente limitar a corrente em seu valor nominal.
Isso é feito partindo-se a máquina com freqüência e tensão reduzida mas mantendo-se a relação Volts/Hertz em seu valor nominal.
Mais complexo e caro, usualmente só é economicamente justificado no caso em que o conversor é utilizado para controle de velocidade. Também introduz distorção harmônica no sistema.
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