MÁQUINAS ELÉTRICAS

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MÁQUINAS ELÉTRICAS
● Gerador CA
1. Ao conjunto de bobinas que ficam estacionárias na máquina elétrica de corrente
alternada, na qual se induzem tensões e são responsáveis indiretas pelo conjugado
resistivo, é dado o nome de:
D. Estator.
2. Sabendo que um gerador tem constante de máquina equivalente a 3, campo magnético
do rotor e estator iguais a 2 T, que o gerador opera sem carga com velocidade 3600 RPM e
com perdas de 500 W mecânicos, qual é o ângulo entre os campos?
D. 2°.
3. Matematicamente, ao se descrever qualquer sistema físico, há uma preocupação em
garantir que o modelo represente o comportamento físico da máquina. Para isso, deve-se
conhecer as equações que regem o sistema em análise. Para o caso dos geradores, a
tensão surge devido ao (à):
B. variação no espaço do campo magnético decorrente de seu deslocamento.
4. Ao considerar as diferentes fontes de energia existentes hoje no mundo, eólica,
hidráulica, termoelétrica, nuclear, maremotriz, percebe-se que, para cada uma dessas, um
gerador CA é capaz de converter a energia mecânica em elétrica. Porém, dadas as
particularidades das fontes mecânicas, um tipo de máquina pode ser mais vantajoso do que
outro. Sabendo disso, quais são os tipos de geradores CA que existem?
E. Síncronos e assíncronos.
5. O conhecimento do comportamento magnético das máquinas elétricas permite ao futuro
engenheiro compreender as implicações das variações dele no comportamento geral da
máquina, seja na tensão de saída ou na velocidade do rotor. Considerando o caso dos
geradores de indução, qual é a origem do campo magnético do rotor?
B. De uma fonte de reativos externa, como de um banco de capacitores.
● Gerador CC I
1. O circuito equivalente de um gerador CC é igual ao circuito do motor CC. Sobre o circuito
equivalente, selecione a alternativa CORRETA.
E. O circuito equivalente se assemelha, exceto pelo fato de que o sentido da corrente e das
perdas nas escovas é invertido.
2. Por se tratar da mesma máquina elétrica, os sistemas de excitação do gerador CC são os
mesmos do motor CC. Sobre a excitação independente, marque a alternativa CORRETA.
A. A corrente de campo de um gerador de excitação independente é fornecida por uma
fonte de tensão CC externa separada.
3. Um gerador CC de excitação independente tem especificações nominais de 172 kW, 430
V, 400 A e 1.800 rpm. O gerador é representado na figura a seguir, e a sua curva de
magnetização está na figura seguinte. Essa máquina tem como segmentos a característica:
Se a resistência ajustável Radj do circuito de campo desse gerador for ajustada para 62,69
Ω.
e a máquina motriz estiver acionando o gerador a 1400 rpm, qual será a tensão de terminal
a vazio do gerador?
C. 334 V
4. O gerador CC com excitação shunt também é conhecido como gerador CC com
excitação em paralelo. Sobre esse método de excitação, marque a alternativa CORRETA.
B. Um gerador CC em derivação é um gerador CC que produz sua própria corrente de
campo conectando seu campo diretamente aos terminais da máquina.
5. O gerador CC com excitação shunt pode ter problemas ao ser acionado. Um desses
problemas é a não geração. Sobre isso, marque a alternativa CORRETA.
A. Caso não haja fluxo magnético residual no gerador, isso impedirá que o processo de
escorvamento tenha início.
Gerador CC II
1. Uma das formas de se conectar os enrolamentos de campo de um gerador autoexcitado
é com o campo ligado em série com a armadura, resultando um gerador série. Sobre as
características do gerador CC com excitação em série, selecione a alternativa correta:
B. O gerador CC série é aquele cujo circuito de campo está ligado em série com a sua
armadura.
2. A FMM da armadura causa efeitos bem definidos sobre a distribuição espacial do fluxo de
entreferro e sobre a magnitude do fluxo líquido por polo. Sobre o efeito da reação de
armadura, selecione a alternativa correta:
A. A distribuição de fluxo é importante, pois pode afetar a comutação e os níveis de tensões
gerados.
3. Ainda sobre a forma de conectar os enrolamentos de um gerador CC, o campo pode
estar divido em duas seções, uma das quais é ligada em série; e a outra, em derivação com
a armadura, resultando um gerador composto. Sobre as características do gerador
composto, assinale a alternativa correta:
E. Um gerador CC composto cumulativo é um gerador CC que tem os campos em série e
em derivação conectados de tal forma que as forças magnetomotrizes dos dois
adicionam-se.
4. Um gerador CC com excitação série, 250 V, 150 kW, contém uma resistência de campo
de 50 Ohms e uma resistência de armadura de 0,05 Ohms. Calcule a corrente de plena
carga, a corrente de campo, a corrente de armadura e, por fim, a tensão gerada em plena
carga.
E. 600 A; 5 A; 605 A e 280,25 V.
5. Um gerador CC composto com excitação shunt longo, 100 kW, 500 V, tem uma
resistência de campo shunt de 125 Ohms, de campo série de 0,01 Ohms, e a resistência de
armadura de 0,03 Ohms. A resistência de ajuste suporta 54 A. Calcule o valor da resistência
de drenagem para a carga nominal e a tensão gerada em plena carga:
A. 0,0278 Ω e 507,62 V.
● Gerador síncrono I
1. Uma das preocupações dos projetistas de máquinas elétricas, ao desenvolverem
geradores elétricos, é com a qualidade da energia produzida. Em função disso, geradores
síncronos são construídos com polos salientes, pois a estrutura dos polos do rotor auxilia:
A. na redução da distorção harmônica.
2. O conhecimento da velocidade síncrona e de sua formulação permite que um engenheiro
estime rapidamente a velocidade de uma máquina CA qualquer enquanto trabalha. No caso
dos geradores síncronos, isso é especialmente verdade, pois trata-se também da
frequência da tensão gerada. Supondo que um gerador de 4 polos esteja operando a 2400
RPM, qual é a frequência elétrica da tensão nos terminais do estator?
E. 80 Hz.
3. Em uma usina hidrelétrica, os geradores síncronos conectados à rede básica operam a
uma velocidade de 100 RPM. Durante um acidente, as comportas se abriram além do
esperado, provocando uma aceleração das máquinas. Depois de algum tempo, os
geradores estavam funcionando a 102,7 RPM. Qual é a frequência produzida, teoricamente,
durante o acidente?
B. 61,62 Hz.
4. Um dos trabalhos mais relevantes durante o projeto de geradores síncronos é a
estimativa da constante de construção, pois ela servirá como base para todas as
simulações e estudos adotados. Suponha que durante a fase básica de projeto você, como
encarregado do projeto, dobrou o número de espiras. Qual ou quais efeitos deverão ser
percebidos na tensão de saída do gerador?
D. A constante de construção dobrará, fazendo com que a tensão de saída, ao menos,
quadruplique.
5. A produção de um campo magnético constante nas máquinas síncronas é uma das
dificuldades presentes nos geradores síncronos, fazendo com que eles sejam dependentes
de fontes de tensão externa para suprir os eletroímãs presentes no rotor. O uso de
excitatrizes mitiga essa necessidade, porém, além delas, qual outra solução pode ser
adotada a fim de evitar que se utilize uma fonte externa?
E. Empregar magnetos permanentes nos polos do rotor do gerador.
● Gerador síncrono II
1. O aquecimento durante o funcionamento dos geradores síncronos está relacionado a
características de perdas magnéticas e perdas Joule. Associando essas perdas àquelas
devidas aos atritos rotacionais, chega-se a uma boa aferição das perdas de um gerador
síncrono. Qual componente do circuito equivalente é o responsável pela perda de energia
na forma de calor no estator?
C. A resistência de armadura.
2. Antes de iniciar a operação de qualquer gerador, são realizados testes com a máquina
que irá funcionar, a fim de verificar se atenderá às exigências de operação, sendo que uma
delas é a variação da tensão dentro de certa amplitude de valores. De forma a garantir isso,
um engenheiro faz o levantamento das tensões do gerador sem carga, mede sua tensão
terminal e afirma que esse valor é igual ao da tensão interna. Essa afirmação está correta?
Por quê?
A. Sim,está correta. Ao mensurar a tensão terminal na condição a vazio, o engenheiro
mediu na realidade a tensão interna, pois a reação de armadura nessa condição é zero.
3. Normalmente, ao operar na rede básica, geradores síncronos são submetidos a diversos
níveis de carga ao longo de um dia. Isso faz com que seja necessário que o gerador se
adeque às diferentes oscilações diárias. Uma das premissas de operação das usinas é
manter o nível de tensão em um mesmo valor, supondo que ocorra uma variação abrupta
na rede e, repentinamente, o fator de potência da corrente de carga passe de unitário para
atrasado. Para evitar a perda de magnitude, o que os operadores devem fazer?
E. Aumentar a corrente de campo da máquina.
4. O uso do diagrama fasorial da máquina síncrona fornece valorosas informações acerca
do comportamento do gerador, quando em face da variação da carga. Tendo em mente o
diagrama fasorial da máquina, ao reduzir a corrente de carga a zero, o que se pode inferir
desse novo diagrama?
C. O diagrama se altera. A tensão interna é igual à tensão terminal.
5. A geração de energia hidrelétrica domina a matriz energética brasileira. Nesses
empreendimentos, o número de polos de um gerador é bastante elevado, a fim de permitir
que, mesmo a uma baixa velocidade de rotação, se tenha tensão a uma frequência de 60
Hz. Enquanto ocorre o oposto em uma usina termelétrica, os geradores possuem poucos
polos (2 ou 4), pois as turbinas a vapor e a gás operam em velocidades altas. Tendo isso
em mente, o que se pode dizer da tensão interna para cada um dos casos? Suponha que
as máquinas possuem constantes de construção similares.
B. Dado que a tensão interna depende de elementos construtivos, fluxo magnético e
velocidade da máquina, para a geração hidrelétrica será necessário um fluxo magnético
superior à geração termelétrica para uma mesma tensão interna.
● Motor CC I
1.Qual é a velocidade a vazio deste motor de excitação independente quando Raj = 175
ohms e (a) VA = 120V, (b) VA = 180V e (c) VA = 240V? Ele tem tensão de campo fixa VF de
240V e tensão de armadura VA que pode ser variada de 120 a 240V.
A. 896,26 , 1344,39 e 1792.53rpm
2. A construção do motor CC tem diversas características que tentam minimizar o impacto
do entreferro no fluxo magnético da máquina. Sobre os aspectos construtivos de um motor
CC, marque a alternativa correta.
E. O estator de uma máquina CC tem polos salientes.
3. O circuito equivalente da máquina CC é de extrema importância para a definição da
operação e ensaios da máquina. Sobre o circuito equivalente de um motor CC, marque a
alternativa correta.
A. O circuito de armadura é representado por uma fonte de tensão ideal Ea e um resistor
Ra.
4. A máquina CC é muito versátil e pode ser construída de diversas maneiras que irão
influenciar como o torque irá variar com a modificação da sua carga. Sobre os métodos de
excitação de máquinas CC, marque a alternativa correta.
B. Os motores CC são acionados a partir de uma fonte de potência CC.
5. As variações dos métodos de excitação são utilizadas para que as máquinas atendam a
situações específicas, por exemplo, a fim de deixar a máquina mais preparada para
situações que precisem de mais tração. Ainda sobre os métodos de excitação de máquinas
CC, marque a alternativa correta.
D. Na prática, quando a tensão da fonte de alimentação de um motor é constante, não há
nenhuma diferença de comportamento entre motores em derivação e de excitação
independente.
● Motor CC II
1. Motores CC podem ser conectados em série, paralelo e composto. Cada ligação traz
uma característica diferente de como o motor reage à variação de carga. Sobre o método
de excitação série de máquinas CC marque a alternativa correta:
A. Um motor CC série é aquele cujos enrolamentos de campo têm poucas espiras.
2. O método de excitação composta é considerado uma evolução da excitação em série e
em paralelo. Sobre o método de excitação composta de máquinas CC, marque a alternativa
correta:
A. O motor CC composto contém campos em derivação e em série, e sua polaridade é
definida pelo arranjo das bobinas.
3. A estrutura física do motor é composta por um arranjo de condutores e é formada por
vários circuitos, entre eles os circuitos elétricos e magnéticos, sendo importante observar o
isolamento entre eles. Sobre as conexões de um motor CC, selecione a alternativa correta:
A. A maioria dos enrolamentos do rotor consiste em bobinas em forma de diamante.
4. A disposição física dos enrolamentos de uma bobina pode reduzir, aumentar ou até
anular (em asos extrf) o fluxo de uma máquina. Sobre os tipos e classificações desses
enrolamentos de um motor CC, marque a alternativa correta:
A. Uma bobina abrange 180o elétricos, isso significa que os lados intercalam os pólos da
bobinas.
5. Um motor série de 20 HP, 240 V, 76 A e 900 rpm tem um enrolamento de campo de 33
espiras por polo. Sua resistência de armadura é 0,09 Ohms e sua resistência de campo é
0,06 Ohms. A curva de magnetização, expressa em termos da força magnetomotriz versus
EA, para 900 rpm é dada pela tabela seguinte:
A reação de armadura é desprezível nessa máquina. Calcule o conjugado do motor e a
velocidade de saída para 33, 100 e 133% da corrente de armadura de plena carga
(despreze as perdas rotacionais).
A. 33% - 36 N m; 1586 r/min;
100% - 185 N m; 899 r/min;
133% - 271 N m; 803 r/min;
● Motor síncrono I
1. A máquina elétrica é completamente isolada eletricamente, baseada em um circuito
magnético, o qual é alimentado pela rede.
Sobre as simplificações e outras características relacionadas aos circuitos magnéticos das
máquinas elétricas, selecione a alternativa correta.
A. O fluxo concatenado representa a resultante de todos os fluxos gerados por cada bobina
de um enrolamento.
2. O estator é a parte fixa do motor, protegido pela carcaça, e o rotor a parte interna, a qual
sofre movimento angular.
Sobre as características construtivas do estator e rotor da máquina CA e sua classificação,
marque a alternativa correta.
A. A função do entreferro é possibilitar o funcionamento das partes móveis da máquina
elétrica.
3. O rotor do motor síncrono tem características únicas que possibilitam a sua partida e o
seu funcionamento.
Sobre os princípios de funcionamento, características nominais do motor síncrono e como
elas são geradas, marque a alternativa correta.
A. Trabalha com velocidade constante, a qual é o resultado da interação entre campos
magnéticos rotativos e estáticos.
4. A relação da tensão e da corrente com a variação de carga no motor síncrono pode gerar
problemas no seu funcionamento, sendo necessária a sua compreensão.
Sobre as condições de tensão, corrente e frequência de operação em regime permanente
dos motores síncronos, marque a alternativa correta.
A. Em condições de regime permanente, os motores são ligados a um barramento infinito.
5. Os circuitos equivalentes das máquinas elétricas são de grande importância, desde a
concepção do seu projeto até simulações de operação. Quando o equipamento está
operando e não há dados sobre ele, são realizados ensaios para coletar informações.
Sobre a definição dos principais parâmetros do circuito equivalente dos motores síncronos,
marque a alternativa correta.
A. Os ensaios a vazio (circuito aberto) e de curto-circuito são utilizados para encontrar estes
parâmetros.
● Motor Síncrono II
1. Nesta Unidade de Aprendizagem, você estudou como o conjugado induzido nas
máquinas síncronas é produzido, além de como a máquina reage a essa força induzida,
podendo até modificar o seu sentido de rotação.
Sendo assim, selecione a alternativa correta sobre as consequências do conjugado induzido
nesta máquina.
A. No gerador síncrono, em que BR produz EA e a resultante entre os campos do rotor e do
estator (Blíq) produz V∅.
2. A variação de carga na máquina síncrona se reflete em vários pontos da máquina, e um
desses pontos é a potência entregue ao equipamento.
Sobre as consequências da variação de carga na máquina síncrona, marque a alternativa
correta.A. A tensão depende apenas da corrente de campo e da velocidade da máquina.
3. O motor síncrono, por sua construção, tem a capacidade de alterar de forma drástica a
maneira que consome potência do sistema.
Sobre a mudança da corrente de campo de um motor síncrono com FP atrasado, marque a
alternativa correta.
A. A corrente de campo de um motor síncrono é facilmente modificada.
4. Com a variação de corrente nesta máquina, é possível modificar o fator de potência do
equipamento, levando a cenários em que sua impedância se torne predominante capacitiva,
indutiva ou resistiva.
Sobre a mudança da corrente de campo de um motor síncrono com FP atrasado, marque a
alternativa correta.
A. Quando o valor de EA aumenta, o módulo da corrente de armadura primeiro diminui e,
em seguida, cresce novamente.
5. Com o ganho de escala produtivo, as células capacitivas se tornaram muito baratas em
relação à aplicação desta máquina como uma solução para a correção de FP, restringindo o
uso da máquina para essa aplicação; mas, mesmo assim, ainda exitem aplicações em que
a máquina é utilizada no lugar dos bancos de capacitores.
Sobre a aplicação de motores síncronos na correção do fator de potência, marque a
alternativa correta.
A. Cargas que aceitam um motor de velocidade constante são acionadas por motores
síncronos.
● Motor Síncrono III
1. Hoje é possível a conversão de frequências constantes em praticamente qualquer nível
de frequência desejado. Assim, pode-se definir valores de frequência baixíssimos durante a
partida do motor. Sobre as partidas com redução da frequência elétrica, selecione a
alternativa correta:
A. A velocidade do campo magnético do estator é maior que a velocidade do campo
magnético do rotor no momento da partida.
2. Ainda sobre as partidas com redução da frequência elétrica, especificamente sobre como
a máquina responde à variação da frequência, selecione a alternativa correta:
B. A velocidade angular síncrona é proporcional à frequência elétrica da tensão de
armadura.
3. Outro modo de partir o motor síncrono é acoplando-o a uma fonte de potência externa.
Sobre a partida com uma fonte externa ao motor síncrono, marque a alternativa correta:
C. A utilização de uma fonte de potência externa deve ocorrer até que o motor atinja a sua
velocidade plena.
4. A inserção de uma gaiola de esquilo no rotor da máquina síncrona, fazendo o mesmo
trabalho realizado no motor de indução, torna a partida do motor possível. Sobre a partida
com enrolamentos amortecedores, marque a alternativa correta:
A. O campo magnético do estator induz uma tensão nas barras do enrolamento
amortecedor.
5. Sobre o princípio de funcionamento da partida com enrolamentos amortecedores, marque
a alternativa correta:
E. Durante a partida do motor síncrono, o rotor ganha velocidade, mas nunca iria atingir a
velocidade síncrona.
● Gerador síncrono III
1. O valor máximo do torque de uma máquina é importante para diversos estudos de
estabilidade, além de fornecer uma métrica do máximo desempenho possível alinhado a
uma máquina elétrica qualquer. Considerando que o conjugado depende das tensões
terminais e interna, e da velocidade do rotor, quais outras variáveis depende o cálculo do
torque?
B. Reatância síncrona e da resistência de armadura.
2. A rede básica nacional é composta por geradores, transmissores e distribuidores
conectados a tensões de, ao menos, 138 kV no Brasil. Essas empresas atendem a diversos
critérios de qualidade. Do ponto de vista de geração de energia elétrica, para que as
diversas usinas possam entregar energia simultaneamente, quais condições elas devem
atender?
A. Mesma tensão, mesma sequência de fase, defasagem zero entre as fases e frequência
de geração similar.
3. Conhecer os efeitos do aumento do conjugado em uma máquina em regime permanente
auxilia o engenheiro a prever comportamentos indesejados. Dado isso, considere que
devido a uma mudança de carga na rede, seu gerador, que opera em paralelo, teve um
aumento de 10% da tensão terminal e da tensão interna. Qual é o novo valor do conjugado?
C. 21% maior.
4. O comportamento de um gerador, quando operando de forma isolada, oscila conforme a
demanda de energia imposta pela carga e pela quantidade de energia disponível no eixo
mecânico. Se ocorrer uma redução de 20% da carga de potência ativa, qual é o efeito
esperado na tensão terminal? Suponha que não ocorra compensação da queda pelo
regulador automático de tensão.
D. Haverá um aumento da tensão terminal.
5. A operação isolada de um gerador síncrono trifásico é estudada por ser uma situação
comum encontrada em hospitais e indústrias que não podem ficar sem um fornecimento
constante de energia. No caso de falta de energia, o gerador de emergência assume toda a
carga da instalação e começa uma operação isolada. Supondo que o engenheiro de um
hospital, que fez o dimensionamento original do gerador de emergência, projetou o
funcionamento da máquina de uma certa forma e, hoje, sempre que o gerador é conectado,
é necessário reduzir a alimentação da corrente de campo. Isso é necessário porque:
E. A carga do gerador é fortemente capacitiva, resultando em uma elevação da tensão de
saída.
● Gerador síncrono IV
1. A estimativa do conjugado máximo de uma máquina síncrona é de grande importância
para a estimativa do ponto limiar de estabilidade a que a máquina pode atingir antes de
"perder a sincronia". Esse ponto é calculado, considerado o ângulo de carga e assume o
valor de 90 graus. Considere um gerador síncrono de 4 polos, 60 Hz, que apresente tensão
interna de 16 kV, tensão terminal de 13,8 kV e tenha uma reatância síncrona de 4 ohms.
Qual é o valor máximo de conjugado que a máquina pode assumir?
E. 878,5kN.m
2. Estimar o comportamento da corrente durante o curto-circuito é mandatório para permitir
o cálculo subsidiário de proteções para um gerador. Suponha que você esteja realizando
uma análise acerca do comportamento de um gerador durante uma falta sólida à terra.
Considere que o gerador alvo do estudo seja uma máquina síncrona de 100 MVA, 72 polos,
60 Hz, 13,8 kV, ligação estrela, com reatância síncrona de 1 pu, transitória de 0,25 pu e
subtransitória igual a 0,05 pu. Qual é o valor da corrente imediatamente após a ocorrência
da falha? Assuma que a máquina operava a vazio com tensão nominal antes da falha.
C. 125 kA.
3. Durante um curto-circuito qualquer, o gerador síncrono desenvolve uma corrente muito
elevada, chamada de corrente de curto. Durante o transitório, os valores instantâneos
assumidos atingem dezenas de kA normalmente. Isto se deve ao fato que, durante a falha,
a corrente da máquina é influenciada por uma parcela de corrente CC e pelas reatâncias
subtransitória, transitória e síncrona. Como você poderia explicar a origem da corrente CC
na análise do curto-circuito?
B. A parcela CC tem origem na característica indutiva do próprio gerador que impede a
variação instantânea da corrente.
4. A rápida ação durante um evento extremo, como um curto-circuito trifásico sólido à terra,
é determinante para a minimização dos danos à estrutura do gerador síncrono. Porém,
suponha uma situação na qual um gerador síncrono entra em curto-circuito, como o descrito
anteriormente, e a proteção não atua no tempo correto, e só funciona 15 segundos mais
tarde. Qual é o módulo da corrente no momento da abertura dessa proteção?
Considere que seja uma máquina de 100 MVA, 60 Hz, 4 polos, com reatâncias síncrona,
transitória e subtransitória de 1; 0,25 e 0,1 pu. As constantes de tempo transitória e
subtransitória são iguais, respectivamente, a 1 e 0,05 segundos. A máquina encontrava-se
operando a vazio antes do incidente.
D. 1 pu.
5. Conhecer em maiores detalhes a operação de um gerador síncrono é importante para o
seu trabalho como engenheiro. Além de saber o funcionamento durante a situação normal,
em regime permanente, você deve conhecer também os efeitos transitórios para
desenvolver análises corretas a respeito dos diversos cenários hipotéticos de operação.
Sabendo disso, qual elemento édeterminante para identificar que um gerador síncrono que
"perdeu sua sincronia" ou encontra-se em operação instável?
A. Quando o ângulo de carga ultrapassa 90°.