Conversão Eletromecânica de Energia intro

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CONVERSÃO 
ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 
 
 
Dr. Eng.- Reinel Beltrán Aguedo 
 
 
 
 
reinel.beltran@ufrpe.br Sala de professores – 509A 
 
mailto:reinel.beltran@ufrpe.br
EMENTA: 
 
(1) Circuitos magnéticos. 
(2) Transformadores. 
(3) Princípios de conversão eletromecânica de energia. 
(4) Introdução às máquinas elétricas rotativas. 
AVALIAÇÃO 
o PE1: Tópicos 1 e 2 (10/10/2019) 
o PE2: Tópicos 3 e 4 (28/11/2019) 
o PE3: Todo o conteúdo (05/12/2019) 
o Prova Final (19/12/2019) 
 
o Lab1, Lab2: Média atividades experimentais 
até a PE1 e PE2, respectivamente. 
 
o VA=0.7PE1+0.3Lab1 
o VA2=0.7PE2+0.3Lab2 
o VA3=PE3 
BIBLIOGRAFIA: 
 
BÁSICA: 
[1] UMANS, Stephen D.. Máquinas Elétricas: de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto 
Alegre: Bookman, 2014. 
[2] TORO, Vicent del. Fundamentos de Máquinas Elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 1999. 
[3] CHAPMAN, Stephen J.. Fundamentos de Máquinas Elétricas. 5. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2013. 
 
COMPLEMENTAR: 
[1] SEN, P. C.. Principles of Electric Machines And Power Electronics. 2. ed. New 
York: John Wiley & Sons, 1996. 
[2] SALAM, Abdus. Principles and Applications of Electrical Engineering. Oxford, Uk: 
Alpha Science, 2010. 
[3] BIN, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento. 3. ed. Rio de Janeiro: Campus - 
Elsevier, 2014. 
[4] SADIKU, Matthew N. O.. Elementos de Eletromagnetismo. 5. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2012. 
[5] HAYT Jr, William H.; BUCK, Jonh A.. Eletromagnetismo. 7. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2008. 
INTRODUÇÃO 
 Base da tecnologia 
civilização moderna 
 
Descoberta da 
energia elétrica 
 Porquê a Energia Elétrica? 
 
1. A energia elétrica é uma das formas mais nobres de energia 
secundária. 
2. Facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as 
conseqüentes transformações em outras formas de energia. 
3. Como alimento e moradia, a energia elétrica é um direito humano 
básico. 
4. Hoje a eletricidade é a forma dominante de energia para 
telecomunicações, tecnologia da informação, e produção de bens e 
serviços. 
Conversão ?? 
Em geral, a transformação de uma coisa em outra. 
 
 
Energia ?? 
"potencial inato para executar trabalho ou realizar uma ação". 
Nenhuma energia é perdida, e sim transformada ou transferida a 
outro corpo. (Princípio da conservação da energia). 
Introdução à Conversão de Energia 
• Qualquer coisa que esteja pronta a trabalhar, possui energia. 
Enquanto o trabalho é realizado, ocorre uma transferência de 
energia. 
• Exemplo: Quando se curva um arco ou se comprime uma mola, 
armazena-se energia em forma elástica, que se manifesta 
quando a flecha é disparada ou a mola se distende. 
• Nesse processo se produz apenas cessão de energia entre os 
componentes do sistema, de modo que o saldo geral é nulo. 
Introdução à Conversão de Energia 
Maq. calor 
Célula de 
Combustível 
Reator 
nuclear 
Queimador 
(forno) Célula 
Solar 
Radiação 
Direta 
Turbina de 
água 
Energia 
humana 
Moinho de 
vento 
Bomba de 
Calor 
Motor elétrico 
Gerador elétrico 
Termoiônico 
Termoelétrico 
Aquecimento 
elétrico 
Bomba 
Ventoinha 
Radiação solar Água, Vento 
Energia 
Elétrica 
Energia 
Mecânica 
 
Energia 
Calorífica 
Combustível: 
Carvão, petróleo, gás, urânio, produtos químicos 
Magneto-hidrod. 
Fontes Energéticas 
Energia mecânica: Obtêm-se o trabalho mecânico utilizado para 
movimentação de máquinas e equipamentos tais como bombas, 
hélices e alternador. 
O dispositivo mecânico é acoplado a um alternador, que recebe 
o trabalho mecânico T, para gerar energia elétrica. 
ω 
Motor 
Diesel 
Alter-
nador 
Acoplam. Mec. 
T 
Energia 
Elétrica 
Exemplo: Usina a Diesel 
Introdução à Conversão Eletromecânica 
Linha 
transmissão/ 
distribuição 
Trafo 
elevador 
Trafo 
abaixador 
 
G 
 
M 
 
Alternador 
(Gerador CA) 
Motor 
Energia elétrica: Produzida principalmente pela transformação de 
outras formas de energia. 
O movimento da água ou a pressão do vapor acionam turbinas 
que fazem girar o rotor de dínamos ou alternadores ou fótons 
agindo sobre células fotovoltaicas para produzir energia elétrica. 
Introdução à Conversão Eletromecânica 
Por que estudar conversão 
eletromecânica ? 
• 99% da energia elétrica é 
gerada por máquinas 
elétricas. 
• 60 a 70% é reconvertida em 
energia mecânica por meio 
de máquinas elétricas. 
• motores mal dimensionados 
são fonte de desperdício de 
energia e baixos fatores de 
potência. 
• gasto de energia na 
indústria está em grande 
parte relacionados com 
motores. 
O que envolve? 
A troca de energia entre um sistema elétrico e um sistema mecânico, 
através de um campo elétrico e/ou magnético de um dispositivo de 
conversão, como agente intermediário. 
O processo é essencialmente reversível, exceto por uma pequena 
quantidade de energia que se perde em aquecimento. 
 
Energia 
Mecânica 
Campo de 
Acoplamento 
 T, ωm 
Energia 
Elétrica 
 V, I 
Sistema de conversão eletromecânica de energia 
Introdução à Conversão Eletromecânica 
• Dispositivos eletromecânicos, que operam com campos magnéticos, 
usam frequentemente materiais ferromagnéticos para guiar e 
concentrar esses campos. 
• Permeabilidade magnética: Grandeza magnética, representada por µ (miú), que 
permite quantificar o “valor” magnético duma substância. A sua unidade é H / m 
(henry por metro). 
• Como a µ dos materiais ferromagnéticos pode ser elevada, a maior parte 
do fluxo magnético está confinada ao núcleo. 
• As frequências são baixas o bastante para permitir que os campos sejam 
considerados quase estáticos. 
• A solução dos campos magnéticos pode ser obtida usando-se as técnicas 
de análise dois circuitos magnéticos. Essas técnicas reduzem o campo 
magnético tridimensional para o unidimensional. 
Introdução à Conversão Eletromecânica 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Todo condutor que conduz uma corrente elétrica se comporta 
como um imã. 
Magnetismo: Propriedade associada aos materiais que atraem o 
ferro e suas ligas, sendo o imã o elemento geral que tem essa 
propriedade. 
 
Imã natural : Corpo que é magnético no estado no qual ele é 
encontrado, tendo-se como exemplo a pedra 
Iodestone (pedra-guia) que é um composto de 
ferro magnetita (Fe3O4 ). 
Pyrrhotite 
Magnetismo gera Eletricidade 
Eletricidade produz Magnetismo 
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lodestone_attracting_nails.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mineraly.sk_-_pyrotin.jpg
Ímã em forma de barra tem dois polos: norte e sul, em torno dos 
quais há um campo magnético. 
 
 
 
 
 
 
 
Os ímãs podem ser permanentes ou temporários e os 
materiais utilizados em cada tipo diferem entre si. 
 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Os pólos de um ímã são inseparáveis. 
 
Ao quebrar-se um ímã, as duas metades obtidas serão 
ímãs completos e nunca se obterá um ímã com um único 
polo. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Imã Artificial: Magnetismo induzido. 
Imã Permanente: Material com ligas de aço temperado que retêm 
grande parte de seu magnetismo (campo remanente) após ser 
removida a força magnetizante inicial. 
Imã Temporário: Material composto por ligas de aço doce ou ferro 
que retêm apenas uma pequena porção do magnetismo (campo 
remanente) adquirido por indução, após ser removida a força 
magnetizante inicial. 
Ligas de aço doce são usadas como núcleos para eletroímãs por 
serem facilmente magnetizadas e desmagnetizadas; o núcleo 
transforma-se em imã forte quando da passagem da corrente elétrica 
por um condutor enrolado no núcleo. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Material ferromagnético pode ser transformado em ímã. Quando 
colocado na parte central de uma bobina elétrica ou solenóide, ao 
se passar corrente de grande intensidade. 
 
O material receberá seu magnetismo (magnetismo remanente) 
depois que a corrente tiver sido cortada.INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Até o ano de 1820, os cientistas pensavam 
que os fenômenos elétricos e magnéticos 
eram totalmente independentes. 
 
Nesse ano, o físico dinamarquês Hans 
Christian Oersted, professor da 
Universidade de Copenhague, realizou uma 
experiência que se tornou famosa por alterar 
completamente essas idéias: 
• Um fio retilíneo (no qual não havia corrente elétrica) foi colocado próximo 
a uma agulha magnética, orientada livremente na direção norte-sul. 
 
• Fazendo-se passar uma corrente no fio, observou-se que a agulha se 
desviava. 
Físico-Químico 
Dinamarquês 
14/8/1777 - 9/3/1851 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:%C3%98rsted.jpg
• Interrompendo-se a corrente 
no fio, a agulha voltava a se 
orientar na direção norte-sul. 
• Portanto, a corrente elétrica no fio atuou sobre a agulha magnética de 
maneira semelhante a um ímã que fosse colocado próximo à agulha. 
• Quer dizer, a corrente elétrica estabeleceu um campo magnético no 
espaço em torno dela, e esse campo foi o agente responsável pelo desvio 
da agulha magnética. 
• A corrente elétrica é constituída por cargas elétricas em movimento, 
pode-se concluir que: cargas elétricas em movimento (corrente elétrica) 
criam, no espaço em torno delas, um campo magnético. 
INTRODUÇÃO AOS 
CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
O campo depende: 
 
Da intensidade da corrente: Quanto maior for o 
valor da corrente, maior será o campo 
magnético criado por ela. 
 
Da distância ao fio: Quanto maior for a 
distância ao fio, menor será o valor do campo 
magnético. 
Campo magnético criado por um condutor retilíneo 
As linhas do campo magnético são circulares, 
centradas no fio. O sentido das linhas de campo 
magnético pode ser obtido pela regra da mão 
direita: segure o condutor com a sua mão direita, 
de maneira que o dedo polegar aponte o sentido 
da corrente. Os seus dedos apontarão no sentido 
das linhas de campo 
Campo magnético no centro de uma espira 
 
Campo magnético no centro da espira, 
depende do raio do círculo e da intensidade 
da corrente elétrica. 
• Quanto maior a corrente, maior o campo. 
• Quanto maior o raio da espira, menor o 
campo. 
• As linhas de indução se concentram no 
interior do círculo e continua valendo a regra 
da mão direita para a determinação do seu 
sentido. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Campo magnético de um solenóide 
(bobina, eletroímã) 
 
 
Estabelecendo-se uma corrente em 
suas espiras, se cria um campo 
magnético no interior do solenóide. 
 
O valor do campo, ao longo do eixo 
central, depende da intensidade da 
corrente elétrica, do número de 
espiras e do comprimento do 
solenóide. 
A intensidade de um eletroímã depende 
também da facilidade com que o material 
em seu interior é magnetizado. 
 
Os eletroímãs são utilizados nas 
campainhas elétricas, transformadores, 
telégrafos, telefones, voltímetros, 
amperímetros, etc. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Gerar uma corrente elétrica, pode-se fazer utilizando um ímã. 
 
Exe.: Ligar a bobina a um amperímetro de grande sensibilidade. Se 
aproximarmos um dos pólos de um ímã, o ponteiro do amperímetro 
sofrerá um desvio (corrente percorre o circuito). Quando o ímã pára, o 
ponteiro retorna a zero, assim permanecendo enquanto o ímã não 
voltar a se mover. 
As correntes geradas recebem o nome de correntes induzidas, 
e esse fenômeno é chamado indução eletromagnética. 
FORÇA MAGNÉTICA 
O campo magnético é capaz de exercer forças, não apenas sobre imãs, mas 
também sobre condutores percorridos por correntes elétricas. 
A força gerada é a soma das pequenas forças que o campo magnético 
exerce sobre cada elétron em movimento. Não é, porém, necessário que os 
elétrons estejam dentro do fio para que sofram a ação do campo 
magnético. Isso também ocorre quando eles estão no exterior e se movem 
livremente. 
Cada partícula carregada e em movimento sofre a ação de uma força exercida pelo 
campo magnético. A força é grande quando a partícula se desloca 
perpendicularmente às linhas de campo, e é igual a zero quando a partícula se move 
na mesma direção do campo. 
A direção da força é perpendicular tanto à direção do movimento como à do campo 
magnético. 
A força que um campo magnético exerce sobre um condutor percorrido por corrente 
pode ser utilizada para realizar trabalho. É o que ocorre nos motores elétricos, que 
transformam energia elétrica em energia mecânica. Essa força também é usada 
para fazer funcionar uma grande variedade de aparelhos elétricos de medida, como 
amperímetros e voltímetros. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
O gerador de corrente alternada é uma aplicação da indução 
eletromagnética. Consegue-se converter energia mecânica em energia 
elétrica. 
Constituído basicamente de uma espira (ou um conjunto de espiras) 
girando numa região onde existe um campo magnético. Enquanto a espira 
gira, pode-se perceber que há uma variação do fluxo magnético através 
dela. Isto ocorre porque a inclinação da espira, em relação ao campo 
magnético, está variando continuamente. Então uma força eletromotriz é 
induzida na espira, gerando uma corrente que será indicada pelo 
amperímetro 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 
Motores elétricos valem-se dos princípios do 
eletromagnetismo, mediante os quais 
condutores situados num campo magnético e 
atravessados por correntes elétricas sofrem a 
ação de uma força mecânica, ou eletroímãs 
exercem forças de atração ou repulsão sobre 
outros materiais magnéticos. 
Na verdade, um campo magnético pode 
exercer força sobre cargas elétricas em 
movimento. Como uma corrente elétrica é um 
fluxo de cargas elétricas em movimento num 
condutor, conclui-se que todo condutor 
percorrido por uma corrente elétrica, imerso 
num campo magnético, pode sofrer a ação de 
uma força. 
INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS