Conversão Eletromecânica de Energia - Material EaD - Capítulo 5 pptx

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Conversão 
Eletromecânica de 
Energia
Prof. Eduardo Henrique Diniz Fittipaldi, DSc
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Capítulo 5
Máquinas Elétricas 
Rotativas: Aspectos 
Operacionais
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5.1 Introdução
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Este capítulo visa mostrar alguns aspectos operacionais das 
máquinas elétricas rotativas.
Máquinas Síncronas:
Estator: Enrolamentos de Armadura (corrente alternada)
Rotor: Enrolamentos de Campo (corrente contínua)
Máquinas de Indução:
Estator: Enrolamentos de Armadura (corrente alternada)
Rotor: Enrolamentos de Campo (corrente alternada)
Máquinas de Corrente Contínua:
Estator: Enrolamentos de Campo (corrente contínua)
Rotor: Enrolamentos de Armadura (corrente alternada que 
passa a ser contínua após o comutador)
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5.2 Máquinas Síncronas: Aspectos Operacionais
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A corrente CC que alimenta os enrolamentos de campo no rotor 
chegam até eles através do sistema de excitação da máquina. Muitas 
vezes, utilizam-se baterias na partida dos geradores síncronos que são 
substituídas por parte da própria tensão gerada pela máquina 
retificada através de sistemas retificadores a estado sólido. Em 
máquinas antigas, costumava-se empregar geradores CC acoplados no 
próprio eixo do gerador síncrono (excitatriz).
Para alimentar os motores síncronos, utilizam-se correntes alternadas 
trifásicas fornecendo energia para a armadura no estator, sendo parte 
desta excitação trifásica retificada por sistemas externos, sendo levado 
ao enrolamento no rotor por meio de anéis coletores e escovas de 
carvão.
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Os geradores síncronos fornecem tensões alternadas com uma 
frequência determinada pela própria velocidade mecânica de rotação 
da máquina. Dessa forma, diversos geradores síncronos que alimentam 
o mesmo sistema de potência devem girar numa velocidade tal que 
produzam a mesma frequência elétrica (todos os geradores giram à 
velocidade síncrona).
Em sistemas de potência com muitos geradores síncronos acoplados, a 
tensão e a frequência nos terminais de cada gerador são variáveis 
definidas pelo próprio sistema de potência, sendo portanto 
consideradas grandezas constantes. Muitas vezes, costuma-se 
representar o restante do sistema em que um gerador síncrono está 
conectado como uma fonte com tensão e frequência constantes 
(barramento infinito). polivirtual.eng.br
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Gerador Síncrono Motor Síncrono
 
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PERDA DE 
SINCRONISMO
Gerador acelera, podendo atingir 
velocidades perigosas
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PERDA DE 
SINCRONISMO
Gerador acelera, podendo atingir 
velocidades perigosas
PERDA DE 
SINCRONISMO
Motor desacelera, podendo 
parar e queimar
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Os motores síncronos não têm conjugado de partida. Essas máquinas 
partem como se fossem motores de indução que, por sua vez, 
possuem conjugado de partida como será discutido no próximo item.
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5.3 Máquinas de Indução: Aspectos Operacionais
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O rotor de uma máquina de indução polifásica pode ser de dois tipos:
•Rotor enrolado ou bobinado: possui enrolamentos polifásicos 
semelhantes aos enrolamentos da armadura (relativamente incomuns, 
encontradas em um número limitado de aplicações especializadas). 
Nestas máquinas, pode-se ter acesso aos enrolamentos de campo do 
rotor.
•Rotor de gaiola de esquilo: constituído de barras condutoras 
encaixadas em ranhuras de ferro no rotor e curto-circuitadas em cada 
lado por anéis coletores. É o tipo de motor mais comum utilizado em 
indústrias.
As figuras a seguir mostram um motor de indução em corte e os 
rotores tipo gaiola de esquilo.
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Com os campos do estator e do rotor girando sempre à mesma 
velocidade, um conjugado eletromagnético estável sempre estará 
presente nestas máquinas (conjugado assíncrono).
O rotor de uma máquina de indução NUNCA pode girar na velocidade 
síncrona, pois se isso ocorresse, não haveria indução de tensão nos 
enrolamentos do rotor, fazendo com que não houvesse fluxo do rotor e 
não haveria conjugado na máquina.
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Faixa de operação normal
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O conjugado máximo limita a capacidade de sobrecarga de curta 
duração do motor.
Pela faixa de operação normal da máquina, observa-se que o motor de 
gaiola de esquilo é, essencialmente, um motor de velocidade constante, 
que varia de uns poucos por cento da condição de vazio (velocidade 
próxima da síncrona), para a velocidade de plena carga. Para os 
motores de rotor bobinado, pode ser incluída uma resistência externa 
para alterar a velocidade do motor para um valor especificado de 
conjugado. No entanto, essa é uma situação pouco utilizada pelo custo 
envolvido com esse tipo de máquina.
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Os motores síncronos partem como se fossem motores de indução. Eles 
possuem um conjunto de enrolamentos curtos circuitados utilizados 
exclusivamente na partida dessas máquinas (enrolamentos 
amortecedores). Em vazio, ao girar próximo à velocidade síncrona, 
alimenta-se os enrolamentos de campo principais dessa máquina e ela 
“entra em sincronismo”, passando a girar na velocidade síncrona.
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Os geradores de indução operam com escorregamentos negativos, com 
as velocidades do rotor ficando acima da velocidade síncrona. O gráfico 
do conjugado versus a velocidade da máquina para os motores e 
geradores de indução é apresentado na figura a seguir.
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Motor
Gerador
100 120 140 160 180 200 Velocidade
Conjugado
-50
-100
-150
-200
-250
-300
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As máquinas CC apresentam uma grande versatilidade de uso, devido 
às diferentes formas de ligação dos enrolamentos de campo, 
produzindo uma grande variedade de características de tensão x 
corrente (nos geradores CC) ou de velocidade x conjugado (nos 
motores CC). Além disso, a velocidade dessas máquinas pode ser 
facilmente controlada a partir dessas diferentes ligações dos 
enrolamentos, a serem estudadas mais adiante.
Inicialmente serão estudadas as principais características de 
funcionamento das máquinas CC, ressaltando as quatro maneiras de 
se ligar os enrolamentos de campo, tanto para os geradores quanto 
para os motores.
Na sequência será estudado o funcionamento do comutador (que é o 
“retificador mecânico” dessas máquinas). polivirtual.eng.br
5.3 Máquinas de Corrente Contínua: Aspectos 
Operacionais
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A figura abaixo mostra esquematicamente uma máquina CC genérica.
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5.3.1 Funcionamento das Máquinas
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As grandes vantagens das máquinas de corrente contínua provêm da 
grande variedade de características operativas que podem ser obtidas 
quando se escolhe o método de excitação dos enrolamentos de 
campo. A figura a seguir mostra os vários tipos de ligação que podem 
ser feitas para levar corrente contínua para os enrolamentos de campo:
a) Excitação independente
b) Série
c) Derivação
d) Composto
O método de excitação influencia diretamente as características de 
operação das máquinas.
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Excitação Independente
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As figuras a seguir apresentam as ligações das bobinas que estão nas 
diversas ranhuras do rotor com as lâminas do comutador e o contato 
que essas lâminas fazem com as escovas de carvão que são fixas. Os 
enrolamentos se fecham com o lado que está diametralmente oposto 
a ele (a bobina de cima se completando com a bobina de baixo na 
ranhura oposta). As ligações são tais que a corrente nas escovas se 
dividem em dois caminhos alimentando bobinas diferentes. A partir do 
restante das ligações, a corrente chega até a outra escova, fechando o 
circuito. Assim, nas bobinas que estão num determinado lado do rotor, 
a corrente estará sempre entrando ou sempre saindo. Ou seja, numa 
determinada bobina, a corrente flui num sentido e depois no outro, 
dependendo do lado em que ela esteja passando. Do ponto de vista 
externo à máquina, a corrente entra por uma escova e sai pela outra, 
estando sempre no mesmo sentido.
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5.3.2 Funcionamento do Comutador
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Nas lâminas que são curto-circuitadas pelas escovas, a corrente passa 
pela comutação, que é a mudança de sentido da corrente. O ideal é a 
corrente mudar de sentido através da comutação linear. Afastamentos 
significativos da condição linear produzem faiscamento nas escovas.
A forma de onda da corrente em uma bobina sob comutação linear é 
apresentada na figura a seguir.
Os enrolamentos das máquinas CC em geral são mais complicados 
dos que os apresentados, existindo mais lâminas, mais bobinas, com 
mais polos nas máquinas. No entanto, esse enrolamento simplificado 
mostra bem o funcionamento do comutador dessas máquinas de 
corrente contínua.
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Fim do Capítulo 5
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