Trabalho de Acionamentos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC
CENTRO TECNOLÓGICO – CTC
RELATÓRIO TÉCNICO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Máquinas Síncronas, Assíncronas e de Corrente Contínua
André Vicente Milack
Nicholas Roberto Drabowski
Florianópolis – 2012
André Vicente Milack
Nicholas Roberto Drabowski
RELATÓRIO TÉCNICO DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Máquinas Síncronas, Assíncronas e de Corrente Contínua
Relatório técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Acionamentos Elétricos para Automação - EEL 5191, no Curso de Engenharia de Controle e Automação, na Universidade Federal de Santa Catarina.
Prof. Dr. Denizar Cruz Martins
Florianópolis – 2012
RESUMO
Este relatório técnico-científico apresenta ao leitor as máquinas elétricas mais utilizadas na indústria, suas particularidades, modos de acionamento e modelos internos. São elas: a máquina síncrona (MI), máquina assíncrona (MA), e motor de corrente contínua (MCC).
Para a utilização das máquinas elétricas, é necessário um conhecimento adicional sobre os métodos de acionamento. Para a melhor compreensão do funcionamento dos circuitos mais utilizados na indústria, realizaram-se experiências em um módulo didático. Este documento também apresenta os relatórios destas experiências.
Palavras-Chave: Máquinas Elétricas, Máquina Síncrona, Máquina Assíncrona, Motor de Corrente Contínua.
SUMÁRIO
1 -	INTRODUÇÃO	5
2 -	CONHECIMENTO SOBRE MÁQUINAS ELÉTRICAS	6
2.1 -	Máquinas de Indução (Assíncronas)	6
2.2 -	Máquinas Síncronas	11
2.3 -	Máquinas de Corrente Contínua	14
3 -	ESTUDO DA INTERLIGAÇÃO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS	18
3.1 -	Máquina Síncrona Acoplada à Máquina de Corrente Contínua	18
3.2 -	Máquina de Corrente Contínua Acoplada à Máquina de Indução	19
4 -	RELATÓRIOS TÉCNICOS DAS EXPERIÊNCIAS	21
4.1 -	Experiência 1 - Retificador Monofásico de onda completa em ponte a diodos	21
4.1.1 -	Estrutura	21
4.1.2 -	Aplicações	22
4.1.3 -	Comportamento	22
4.1.4 -	Procedimento Experimental e Análise de Resultados	23
4.2 -	Experiência 2 - Retificador Trifásico em ponte a diodos (Ponte de Graetz)	29
4.2.1 -	Estrutura	29
4.2.2 -	Aplicações	29
4.2.3 -	Comportamento	30
4.2.4 -	Procedimento Experimental e Análise de Resultados	30
4.3 -	Experiência 3 – Retificador Monofásico de Onda Completa em ponte a Tiristor	34
4.3.1 -	Estrutura	34
4.3.2 -	Aplicações	35
4.3.3 -	Comportamento	35
4.3.4 -	Procedimento Experimental e Análise de Resultados	37
4.4 -	Experiência 4 – Conversor CA/CA monofásico a triac (ou tiristor)	43
4.4.1 -	Estrutura	43
4.4.2 -	Aplicações	43
4.4.3 -	Comportamento	43
4.4.4 -	Procedimento Experimental e Análise de resultados	44
5 -	CONCLUSÃO	48
INTRODUÇÃO
Máquinas elétricas são dispositivos que transformam a energia proveniente de uma fonte primária em energia elétrica ou transformam a energia elétrica em trabalho útil. Dentro desta descrição encontramos os geradores elétricos e motores elétricos. Os geradores elétricos convertem energia mecânica em energia elétrica e os motores elétricos, ao contrário, convertem energia elétrica em energia mecânica. O funcionamento das máquinas modernas é baseado na Lei da indução de Faraday, e utilizam o fato de que um campo magnético variável produz força eletromotriz, ou seja, tensão elétrica.
Podemos classificar as máquinas elétricas nos seguintes tipos: Estacionárias ou Rotativas. Dentro das estacionárias encontramos os geradores, conhecidos por sua alta eficiência, e capacidade de alterar a amplitude da tensão alternada. Nosso foco aqui está nas máquinas rotativas, que podem ser de corrente contínua (MCC) ou alternada: MS (Síncrona) e MI (Assíncrona).
CONHECIMENTO SOBRE MÁQUINAS ELÉTRICAS
Máquinas elétricas são dispositivos que convertem energia mecânica em elétrica (geradores) ou energia elétrica em mecânica (motores) através do uso adequado de fenômenos do eletromagnetismo como o princípio da indução eletromagnética. Apesar da diferença no sentido da conversão de energia, motores e geradores possuem estruturas similares. Basicamente, as máquinas elétricas rotativas que serão abordadas neste capítulo possuem dois componentes fundamentais: o estator, composto pela parte fixa da máquina, e o rotor, que é a parte livre para girar. Nestes componentes, estão fixados enrolamentos que conduzem corrente elétrica, os quais podem ser enrolamentos de campo, que produzem os campos magnéticos necessários ao funcionamento da máquina, ou enrolamentos de armadura, que são submetidos ao campo magnético gerado. Cada um destes enrolamentos pode estar fixado tanto no rotor como no estator. 
Nas seções deste capítulo, serão descritas as máquinas síncronas, de indução (assíncronas) e de corrente contínua, sendo apresentados alguns detalhes, tais como partes constituintes, princípio de funcionamento e aplicações na indústria.
Máquinas de Indução (Assíncronas)
As máquinas elétricas de indução são as mais utilizadas na indústria, em função do baixo custo, longa vida útil, versatilidade, robustez, simplicidade de construção, entre outros fatores. Geradores de indução apresentam desempenho muito inferior quando comparados com outros tipos de geradores, o que faz com que as máquinas de indução sejam majoritariamente utilizadas como motor.
Figura 1 - Estrutura de um motor de indução.
Na Figura 1, podem-se ver as partes construtivas de um motor de indução, entre as quais estão:
Carcaça: é a estrutura que fornece sustentação às demais peças e que protege o ser humano contra a eletrocussão. Geralmente, é feita em ferro fundido e possui aletas que melhoram a dissipação de calor;
Estator: é um núcleo feito com chapas de ferro ou outro material magnético, e estão isoladas eletricamente para reduzir as perdas por correntes induzidas. Neste núcleo, como se observa na Figura 2, existem ranhuras internas que, além de contribuir para a dissipação do calor, provêm espaço para alocação dos enrolamentos de campo, os quais são conectados à caixa de ligações (Figura 1). Há motores que utilizam estatores sem ranhuras, entretanto, estes são muito pouco utilizados. Entre as ranhuras e o enrolamento, existe um componente isolante para evitar a energização do estator e da carcaça;
Entreferro: é a região de folga que existe entre a superfície interna do estator e a superfície externa do rotor;
Rotor: É a parte rotativa do motor, acoplada ao eixo. Da mesma forma que o estator, é composto por chapas isoladas de material magnético e possui ranhuras em sua superfície para a fixação do enrolamento de armadura. O mesmo pode ser de dois tipos diferentes: do tipo gaiola, composto por barras de alumínio curto-circuitadas nas pontas, e do tipo bobinado, formado por bobinas conectadas a anéis deslizantes no eixo e que são acessíveis por meio de escovas. O enrolamento do tipo gaiola é o mais frequente, devido à maior simplicidade e baixo custo. O enrolamento do tipo bobinado, por sua vez, é mais caro, mas permite mais graus de liberdade para o controle de torque e velocidade, além de auxiliar a partida. Junto ao rotor está fixado também um ventilador, responsável por resfriar o equipamento.
Figura 2 - Esquema de um estator para uma máquina de indução.
Para funcionar, a máquina de indução precisa de um campo magnético girante na região do rotor. Cada bobina do enrolamento de campo, fixado no estator, é capaz de produzir um campo magnético oscilatório quando alimentada com tensão alternada. Utilizando um sistema trifásico, em que as tensões estão defasadas em 120° uma em relação às outras, é possível colocar os enrolamentos em uma disposição tal que a soma dos campos magnéticos gerados gire em torno do rotor. A velocidade angular do campo magnético girante (velocidade síncrona) pode ser obtida com o uso da seguinte fórmula:
Onde:	ns = velocidade síncrona (rpm);
	f = freqüência da rede de alimentação (Hz);
	p = número de pólos do motor.
O enrolamento de armadura, que está fixo no rotor, é submetidoao campo magnético girante produzido pelo enrolamento de campo. O fluxo magnético que atravessa cada espira da armadura varia continuamente, induzindo tensão elétrica. Deste modo, correntes induzidas surgem no enrolamento de armadura, que sofre ação do campo magnético girante dando origem a forças magnéticas. Estas forças produzem torque no rotor, e assim surge o movimento rotativo do eixo. À medida que a rotação aumenta, no entanto, diminui a taxa de variação do fluxo magnético que atravessa as espiras do enrolamento de armadura. Por consequência, esta redução do fluxo causa a redução das tensões induzidas na armadura, o que leva a diminuir as correntes induzidas na mesma, a força magnética produzida, e portanto, o torque. Logo, o motor de indução tem torque máximo na partida, e se o mesmo for inferior ao torque resistivo da carga acoplada, a rotação começa a aumentar. Com o aumento da rotação, o torque diminui em função da menor taxa de variação do fluxo magnético ao atravessar as espiras da armadura. Com isso, a rotação aumenta até que o torque do motor seja equivalente, em módulo, ao torque resistivo.
Nota-se que a velocidade do eixo do motor de indução é sempre menor que a velocidade síncrona, motivo pelo qual as máquinas de indução também são chamadas de máquinas assíncronas. A diferença relativa entre estas duas grandezas é chamada de fator de escorregamento:
Onde:	s = Fator de escorregamento;
	ns = Velocidade síncrona;
	n = Velocidade do eixo do motor.
Convém ressaltar que também existem motores de indução monofásicos, que possuem construção similar. No entanto, como não há tensões defasadas, não é possível criar um campo magnético girante, apenas um campo oscilatório. Deste modo, necessita-se de um elemento auxiliar que faça surgir um torque. Pode-se, por exemplo, utilizar um capacitor para criar uma defasagem.
Os motores de indução disponíveis no mercado são identificados através de uma placa, onde se encontram informações úteis, dentre as quais estão:
Potência Nominal: Máximo valor de potência mecânica entregue ao eixo do motor em regime permanente de funcionamento;
Tensão Nominal: É o valor de tensão de alimentação para o qual o motor foi projetado para operar. O uso prolongado em tensões excedentes apresenta risco de danificar o equipamento. De acordo com a norma brasileira, os motores de indução devem funcionar de maneira satisfatória sob variações de 10% de tensão, no máximo. Geralmente, é fornecida uma tensão nominal para ligação estrela, e outra para ligação triângulo;
Corrente Nominal: Valor de corrente elétrica drenada pelo motor sob condições nominais de operação em regime permanente. Durante a partida, é normal que a corrente seja de 5 a 8 vezes maior que a corrente nominal. Por isso, a partida não deve ser longa em demasia, pois há risco de superaquecimento e avaria do motor;
Frequência Nominal: É o valor da freqüência que a rede usada para alimentação do motor deve ter. No Brasil, este valor é padronizado em 60Hz, mas motores de 50Hz podem ser utilizados na rede brasileira, tendo algumas características de operação alteradas;
Torque Nominal: É o torque fornecido pelo motor durante o regime permanente de operação sob tensão e corrente nominais. Um motor de indução é capaz de fornecer um torque maior que o nominal em pequenos intervalos de tempo, como ocorre na partida;
Velocidade Nominal: Velocidade do eixo do motor sob condições nominais de operação. A diferença entre a velocidade de operação a vazio e em plena carga é pequena, em geral, na ordem de 10%;
Rendimento Nominal: Relação entre a potência mecânica de saída e a potência elétrica fornecida ao motor durante funcionamento contínuo, considerando valores nominais tensão e corrente;
Escorregamento Nominal: Diferença relativa entre a velocidade síncrona e a velocidade do eixo do motor sob condições nominais de operação;
Fator de Potência: Relação entre a potência ativa e a potência aparente que existem no motor em funcionamento contínuo.
A máquina elétrica de indução, quando usada como gerador, possui o mesmo princípio de funcionamento, entretanto, em vez de alimentar o enrolamento do estator, obtendo a rotação do eixo, faz-se o eixo girar, obtendo a tensão induzida no enrolamento do estator. Porém, apenas o movimento do eixo não é suficiente para a conversão, pois inicialmente, o enrolamento do rotor não está energizado, e nenhum campo magnético é produzido. Para iniciar o funcionamento, é necessário energizar o enrolamento de campo, fazendo surgir o campo magnético girante e as correntes induzidas na armadura. Então, faz-se girar o eixo da máquina a uma velocidade acima da velocidade síncrona, o que produzirá tensão nos terminais do enrolamento do estator.
Os motores de indução são, de longe, os mais utilizados na indústria, e servem para diversos tipos de operações: bombeamento, sistemas hidráulicos, transporte de produtos, agitação, moagem, ventilação, entre outros. O fato de os sistemas de distribuição de energia serem em corrente alternada, além do alto rendimento, baixo custo e bom fator de potência, contribuíram muito para a utilização desses motores no meio industrial.
Máquinas Síncronas
Máquinas elétricas síncronas são máquinas cujo eixo gira com velocidade proporcional à frequência do sistema de alimentação, no caso dos motores, ou da tensão gerada, no caso dos geradores. Os motores síncronos ainda encontram muita resistência ao ser utilizados na indústria, devido aos consumidores estarem acostumados ao uso de motores de indução. Ainda assim, este tipo de equipamento vem conquistando seu espaço por dois principais motivos: velocidade fixa em função da frequência de alimentação e fator de potência regulável, contribuindo para corrigir este fator em outros equipamentos, como motores de indução. Máquinas síncronas também são muito utilizadas como gerador, uma vez que é através delas que a maior parte da energia elétrica consumida no mundo é produzida.
O motor síncrono possui uma estrutura bastante similar ao motor de indução, porém com algumas particularidades. Possui um estator bobinado, contendo os enrolamentos de armadura, que produzem o campo magnético girante. Além disso, motores síncronos possuem um rotor que difere consideravelmente dos rotores usados nas máquinas de indução. O rotor da máquina síncrona possui um enrolamento de campo alimentado por uma tensão contínua. Esta tensão pode ser fornecida por uma fonte externa, transmitida por meio de anéis deslizantes e escovas, ou pode ser fornecida por uma excitatriz, uma espécie de gerador com retificador que evita o uso de escovas, tornando o conjunto mais conveniente e robusto. Em certos motores de menor potência, o enrolamento do rotor pode ser substituído por imãs permanentes. Ainda, a maioria das máquinas síncronas admite o uso de um enrolamento amortecedor, constituído de uma gaiola, semelhante àquela usada como enrolamento em motores de indução.
As máquinas síncronas são assim chamadas porque o rotor gira na mesma velocidade que o campo magnético girante produzido pelo estator, fazendo com que o enrolamento do rotor esteja sempre alinhado com campo. Como este enrolamento conduz uma corrente elétrica, alimentada com tensão constante e submetida ao campo magnético, existe sempre uma força magnética produzindo torque, mantendo o movimento rotativo. Ao contrário das máquinas assíncronas, não há força magnética induzida no enrolamento do rotor, pois o campo magnético na região das espiras é sempre o mesmo. A velocidade do campo girante produzido por um motor síncrono pode ser conhecida a partir da seguinte fórmula:
Onde:	n = Velocidade do campo girante e do rotor (rpm);
	f = Frequência de alimentação (Hz);
	p = Número de pares de pólos do motor;
Há de se ressaltar, contudo, que o rotor apenas acompanha a velocidade do campo magnético girante em regime permanente, mas isto não acontece durante a partida. Enquanto o rotor está parado, o campo magnético produzido pelo estator gira rapidamente em torno do enrolamento de campo. Logo,a força magnética gerada também varia muito rapidamente sua direção, e o rotor não consegue girar, fica apenas oscilando em torno de uma posição fixa. Por isso, o motor síncrono necessita de métodos auxiliares de partida. Um deles, por exemplo, é utilizar um motor de arranque externo para levar o eixo à velocidade síncrona. Uma alternativa se dá por meio do uso do enrolamento amortecedor, quando existente. Se o enrolamento do rotor não for alimentado, a máquina funciona em regime assíncrono, possuindo torque de partida da mesma maneira que um motor de indução. Ao estabilizar a velocidade, liga-se a alimentação do enrolamento de campo, o que provoca o surgimento da força magnética que levará o eixo do rotor à velocidade síncrona. Um terceiro método possível é a redução da frequência de alimentação para um valor suficientemente baixo durante a partida, o que pode ser obtido com auxílio de um conversor de frequência.
Devido ao circuito de campo, no rotor, o fator de potência da máquina síncrona pode ser regulado. Para isto, basta regular a corrente que alimenta o enrolamento do rotor a partir de um ponto de equilíbrio. Quando esta corrente é maior que o valor de referência, a potência reativa indutiva aumenta, pois a bobina do enrolamento é basicamente um indutor. Caso seja necessário, pode-se regular esta corrente a um valor abaixo da referência, criando um déficit de potência reativa indutiva, o que faz a máquina absorver este tipo de potência. Esta é uma grande vantagem dos motores síncronos, que são muito utilizados para corrigir fator de potência em instalações industriais, balanceando de maneira adequada o uso de motores síncronos e assíncronos. Existem até mesmo motores síncronos operando a vazio, com o único propósito de compensar o fator de potência. Por este motivo, são geralmente chamados de compensadores síncronos.
Como toda máquina elétrica, as máquinas síncronas podem também ser utilizadas como geradores elétricos, e de fato são muito frequentemente utilizadas com este propósito. Neste tipo de operação, o enrolamento do rotor é energizado com uma tensão constante, e o eixo gira por força de algum mecanismo. A corrente elétrica no enrolamento do rotor dá origem a um campo magnético, e como o eixo da máquina está girando, o campo magnético também gira. Este movimento do campo magnético induz tensão alternada no enrolamento de armadura, no estator, o qual é acoplado à carga elétrica. Esta tensão alternada possui frequência proporcional à da rotação do eixo da máquina.
O fato de o motor síncrono operar em velocidade fixa constitui uma vantagem para diversas aplicações, uma vez que é dispensável o uso de um controlador de velocidade. Além disso, o alto rendimento dos motores síncronos, juntamente com a possibilidade de regular o fator de potência, o torna viável para diversas aplicações em vários segmentos da indústria, dentre elas:
Bombas e compressores;
Linhas transportadoras;
Moinhos, britadores, moedores, etc.;
Ventiladores e exaustores;
Misturadores.
A tensão produzida pelos geradores síncronos, que possui a mesma frequência da rotação do eixo, faz com que as máquinas síncronas tenham, tradicionalmente, ampla aplicação na geração de energia, principalmente hidrelétrica e termelétrica.
Máquinas de Corrente Contínua
Máquinas de corrente contínua podem ser utilizadas como motor ou como gerador, no entanto, com o avanço da eletrônica de potência, o uso deste tipo de equipamento como gerador se tornou muito restrito. Atualmente, muitos motores de corrente contínua se encontram substituídos por motores de indução com acionamento por inversor de frequência, em função da viabilidade econômica e da maior adaptabilidade ao sistema de distribuição de tensão alternada.
Na Figura 3 pode ser visto um esquema que mostra as peças básicas que compõem um motor de corrente contínua. O estator de um motor de corrente contínua tem o objetivo de produzir o campo magnético para o funcionamento da máquina, e pode ser de dois tipos: de imã permanente ou com enrolamento de campo. No estator de imã permanente, o campo é fornecido através de um imã fixado no equipamento, enquanto que no estator com enrolamento de campo, o campo magnético é produzido por uma bobina alimentada com tensão constante.
Figura 3 - Esquema básico de construção de um motor de corrente contínua.
O rotor, por sua vez, é constituído de um núcleo ferromagnético envolto por um enrolamento de armadura. Quando alimentada por uma corrente contínua, a armadura sofre ação de uma força magnética, causada pelo campo criado pelo estator. Esta força produz um torque, fazendo o rotor girar. Entretanto, quando o enrolamento do rotor gira, muda o ângulo entre a direção do campo magnético e a da corrente de armadura, até um ponto em que a força magnética produzida inverte o seu sentido. Assim, o torque também é invertido, e o eixo do motor começa a acelerar no sentido oposto de giro. Isto resulta em um movimento alternado, em vez de rotação.
Para corrigir este efeito, são necessárias as demais partes vistas na Figura 3: comutadores e escovas de carbono. Em vez de conectar os terminais do enrolamento do rotor diretamente em uma fonte de tensão, estes mesmos são ligados nos dois comutadores, que são placas encurvadas de metal condutor. Em cada comutador, uma escova de material condutor é colocada em contato e pressionada por uma mola. As escovas estão ligadas à fonte de alimentação. Deste modo, ao passo que o eixo do motor gira sob ação do torque gerado, as escovas deslizam sobre a superfície dos comutadores, e a força vai sendo reduzida. Quando a força chega a zero, a ponto de inverter o seu sentido, a escova atinge o fim da superfície de um comutador, e começa a entrar em contato com o outro. Isto provoca a alteração do sentido da corrente que circula no enrolamento de armadura, e impede que a força magnética inverta o seu sentido. Desse modo, o torque se mantém oscilante, mas seu sinal é sempre o mesmo. Além desta vantagem, os comutadores com as escovas de carbono também permitem a ligação elétrica da fonte com o enrolamento de armadura, sem que a rotação do eixo cause problemas. Entretanto, a constante alternância entre os comutadores causa faiscamento, além do desgaste das escovas por atrito, o que exige o uso de molas para manter as mesmas unidas à superfície.
Durante a partida, a tensão sobre a bobina de armadura é a própria tensão da fonte. Porém, quando o enrolamento do rotor começa a girar, o fluxo magnético que atravessa este enrolamento começa a variar, dando origem a uma tensão induzida. Esta tensão tem sentido oposto à tensão da fonte, reduzindo o valor da diferença de potencial nos terminais do enrolamento do rotor. Esta redução faz a corrente diminuir neste enrolamento, e por consequência, o torque produzido também diminui. Logo, à medida que a rotação do eixo do motor aumenta, o torque entregue diminui, até que se atinja o equilíbrio entre o torque de saída e o torque resistivo da carga acoplada ao motor.
Quando a máquina elétrica de corrente contínua trabalha como gerador, o eixo da máquina é rotacionado, fazendo surgir as tensões induzidas no enrolamento do rotor. Neste caso, os terminais do enrolamento não são ligados à uma fonte, mas sim à carga elétrica que se deseja alimentar com o gerador.
Um motor de corrente contínua que possui estator com enrolamento de campo pode ser ligado de diversas maneiras, resultando em diferentes características de torque e velocidade:
Ligação Shunt ou Paralelo: Os circuitos de campo e de armadura são ligados em paralelo e alimentados com a mesma fonte;
Ligação Independente: Os dois circuitos são separados e alimentados cada um usando uma fonte diferente;
Ligação Série: Os enrolamentos são ligados em série e alimentados com a mesma fonte;
Ligação Composta: Combina os demais tipos de ligações.
Apesar das suas desvantagens em muitos aspectos em relação aos motores de corrente alternada, as máquinas de corrente contínua ainda encontram aplicações em situações em que são mais viáveis.Podem ser citados:
Dispositivos pequenos (máquinas de papel, impressoras, brinquedos, etc.);
Bobinadeiras;
Laminadores;
Indústria de borracha;
Movimentação e elevação de cargas.
ESTUDO DA INTERLIGAÇÃO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS
Máquina Síncrona Acoplada à Máquina de Corrente Contínua
Nesta seção será analisada uma ligação entre um motor de corrente contínua e um gerador síncrono. O esquema de conexão entre as máquinas pode ser visto na Figura 4.
Motor de Corrente Contínua
Gerador Síncrono
Eixo
+ -
+
-
+ -
Tensão no Enrolamento de Campo
Tensão no Enrolamento de Campo
Tensão no Enrolamento de 
Armadura
Tensão no Enrolamento de 
Armadura
Figura 4 - Ligação elétrica e mecânica das máquinas síncrona e de corrente contínua.
A máquina de corrente contínua, funcionando como motor, é alimentada com tensão monofásica e contínua nos seus enrolamentos de campo e de armadura. Grande parte da potência de entrada é tranformada em potência mecânica, que é transmitido pelo eixo do motor ao eixo da máquina síncrona através de um acoplamento mecânico. Existem diversas formas de fazer este acoplamento, mas é conveniente o uso de acoplamentos elásticos, que suavizam os solavancos de partida e ainda toleram algum desalinhamento angular. O gerador síncrono recebe alimentação monofásica de tensão constante no seu enrolamento de campo, no rotor, produzindo o campo magnético girante no interior da máquina. Este campo varre as espiras do enrolamento do estator pela ação do torque fornecido, e induz tensão alternada e trifásica. Se o gerador síncrono estiver ligado a uma carga, surgirá uma corrente elétrica no enrolamento do estator, provocando forças magnéticas no rotor, o que dá origem a um torque resistivo. Logo, o acoplamento analisado constitui um conversor rotativo, alimentado com tensão contínua e monofásica e que produz tensão alternada trifásica. A tensão produzida no gerador síncrono possui frequência proporcional à velocidade do eixo, e amplitude proporcional à velocidade do eixo e à corrente de campo.
À medida que se aumenta a carga elétrica acoplada ao gerador síncrono, maior é a corrente no estator, e maior o torque resistivo no rotor. Este torque provoca a redução da velocidade, e por conseqüência, ocasiona a redução da frequência e da amplitude da tensão gerada. Ao contrário, se a carga diminui, o torque resistivo no rotor da máquina síncrona também diminui, e a velocidade do rotor aumenta. Com isso, aumenta a frequência da tensão gerada, bem como a variação do fluxo magnético e a amplitude da mesma tensão.
Portanto, é necessária a utilização de uma técnica para manter a amplitude e a frequência da tensão produzida na máquina síncrona quando há variação na carga elétrica acoplada. Primeiramente, controla-se a velocidade do eixo através da tensão na armadura ou no campo do motor de corrente contínua. Quanto maior esta tensão, maior a força magnética que surge no rotor, e portanto, maior a velocidade. Por isso, quando a carga elétrica aumenta, gerando uma redução de velocidade no eixo, deve-se aumentar a tensão de entrada na máquina de corrente contínua, e vice-versa. A amplitude da tensão de saída também pode ser controlada pela tensão de campo na máquina síncrona, pois quanto maior esta tensão, maior a magnitude do campo girante, e maior a tensão induzida.
Máquina de Corrente Contínua Acoplada à Máquina de Indução
O acoplamento de um motor de indução a um gerador de corrente contínua, discutido nesta seção, é bastante similar ao acoplamento visto na seção anterior, com a diferença que, desta vez, o conjunto constitui um conversor rotativo de tensão alternada trifásica em tensão contínua. 
Tensão no Enrolamento de 
Armadura
Gerador
 de Corrente Contínua
Motor
 de Indução
Eixo
+
-
+ -
Tensão no Enrolamento de Campo
Tensão no Enrolamento de 
Campo
Figura 5 - Ligação elétrica e mecânica entre máquinas de indução e corrente contínua.
A tensão trifásica alimenta o enrolamento de campo do motor de indução, e faz o eixo do mesmo girar. Através do acoplamento mecânico, o movimento é transmitido ao gerador de corrente contínua, cujo enrolamento de campo é alimentado por uma tensão contínua. Por meio do movimento transmitido, o rotor gira submetido ao campo magnético produzido pelo estator, o que faz surgir uma tensão induzida no enrolamento de armadura. O enrolamento de campo pode ser alimentado tanto por uma fonte externa quanto pela própria tensão gerada (autoexcitação). A tensão induzida é retificada, em função dos comutadores, e possui oscilação muito pequena devido ao caráter indutivo do enrolamento. No entanto, quando existe uma carga elétrica acoplada ao gerador de corrente contínua, há circulação de corrente na armadura, e como a mesma está sob ação de um campo magnético, surge uma força magnética e um torque no sentido contrário de giro.
Quando há um aumento na carga acoplada, o torque resistivo aumenta, fazendo reduzir a velocidade do eixo. Isto faz diminuir a variação do fluxo magnético nas espiras do enrolamento de armadura, e com isso, a tensão induzida diminui. Ao contrário, quando a carga elétrica diminui, a tensão aumenta.
Para manter a tensão gerada constante, mesmo com a variação da carga, é necessário controlar a rotação do eixo da máquinas, o que pode se dar através da amplitude ou da frequência da tensão de entrada no motor assíncrono. Em geral, o controle através da frequência é mais fácil de ser obtido, usando-se um inversor de frequência.
RELATÓRIOS TÉCNICOS DAS EXPERIÊNCIAS
Para reforçar o aprendizado, na disciplina de Acionamentos Elétricos (EEL5191), os alunos participaram de experimentos práticos. Abaixo, seguem os relatórios das experiências realizadas.
Experiência 1 - Retificador Monofásico de onda completa em ponte a diodos
Estrutura 
Um transformador (TR);
Quatro diodos em ponte (D1,D2,D3,D4);
Um fusível (F).
Figura 6 - Retificador Monofásico de onda completa em ponte a diodos.
Na configuração vista na Figura 6 é realizada uma primeira conversão de tensão pelo transformador. Ele faz uma conversão CA/CA, apenas alterando o nível de tensão para um nível condizente com o sistema. A retificação de fato, é realizada pelos diodos, mas não é perfeita. Além disto, podemos observar um fusível, que tem a função de cortar a alimentação do sistema, caso ocorra um curto, ou um pico de corrente.
Frequentemente, em aplicações industriais, a carga é indutiva e resistiva (RL), porém poderá ser capacitiva e resistiva (RC), e também apenas resistiva (R).
 Aplicações
Alimentação de motores de corrente contínua.
Alimentação de circuitos eletrônicos.
Carregamento de baterias.
Alimentação de enrolamentos de campos de máquinas elétricas.
Comportamento
Carga resistiva: Observa-se que a corrente em todos os pontos do circuito é uma imagem da tensão. Para valores instantâneos vale a relação comum V=Ri.
Figura 7 - Formas de onda para carga resistiva.
Com carga indutiva (RL): A carga indutiva causa um atraso da corrente em relação à tensão. Também age como um filtro para a corrente, diminuindo sua amplitude em relação ao caso anterior.
Figura 8 - Formas de onda para carga indutiva (RL).
Procedimento Experimental e Análise de Resultados
Alimentação de uma carga resistiva
Figura 9 - Retificador monofásico de onda completa com carga resistiva.
Procedimentos:
Montar o circuito apresentado na Figura 9.
Fazer uma revisão na montagem e energizá-la.
Verificar com o osciloscópio a forma da tensão no secundário do transformador.
Verificar com o osciloscópio a forma da tensão nos terminais dos diodos.
Verificar com o osciloscópio as formas da tensão e da corrente na carga R.
Medir, com o voltímetro ferro-móvel, o valor da tensão eficaz no secundário do transformador.
Medir, com o voltímetro BMIP, o valor da tensão média da carga.
Medir, com o amperímetro ferro-móvel, o valor da corrente eficaz no secundário do transformador.
Medir, com o amperímetro BMIP, o valor da corrente média da carga.
Observaçõesa serem realizadas:
Verificar que as formas de onda de tensão e corrente na carga são semiciclos de senóides, iniciando em zero evoluindo até o valor máximo e retornando a zero. A corrente neste caso é uma imagem da tensão.
Verificar que as formas de onda de tensão e corrente na entrada do retificador (secundário do transformador) são senoidais e estão em fase. Tudo se passa como se o retificador não existisse, e a fonte CA alimentasse uma carga resistiva. A influência do retificador neste caso tem pouca, ou nenhuma, influência no fator de potência visto pela rede elétrica da concessionária.
Observar que a ondulação de corrente na carga, neste caso, é máxima.
Observar que a tensão máxima reversa sobre os diodos é a própria tensão máxima no secundário do transformador.
Resultados experimentais para R = 75 Ω
Figura 10 - V2 (CH1) e I2 (CH2).
Figura 11 - Vcc (CH1) e Icc (CH2).
Figura 12 - ID1 (CH1).
Alimentação de uma carga indutiva
Figura 13 - Retificador monofásico de onda completa com carga indutiva.
Procedimentos realizados:
Verificar com o osciloscópio as formas da tensão e da corrente na carga.
Aumentar o valor da indutância (L) e verificar a forma da corrente de carga.
Verificar com o osciloscópio as formas da tensão nos terminais dos diodos.
Medir, com o voltímetro BMIP, o valor da tensão média da carga para dois Valores distintos de indutância.
Observar a forma da corrente (i2) no diodo D1.
Verificar as formas da tensão e da corrente no secundário do transformador.
Observações realizadas:
A forma de onda da tensão na carga continua sendo em semiciclos de senóides; todavia, a corrente na carga não se comporta como uma senóide, ela não passa por zero. A corrente neste caso não é uma imagem da tensão.
A forma de onda da corrente na entrada do retificador (secundário do transformador) é deformada, apresentando um conteúdo harmônico significativo. O fator de potência para esta situação é diferente da unidade.
Há uma diminuição na ondulação da corrente na carga.
A tensão máxima reversa sobre os diodos contínua sendo a própria tensão máxima no secundário do transformador.
Resultados experimentais para R = 75 ohm e L = 100mH:
Figura 14 - V2 (CH1) e I2 (CH2).
Figura 15 - VCC (CH1) e ICC (CH2).
Figura 16 - ID1 (CH1).
Conclusões:
Utilizando apenas uma carga resistiva, a tensão e a corrente retificadas ficam em fase. A adição do elemento indutivo causa uma defasagem da corrente em relação a tensão. Infelizmente, esta defasagem gera uma forma de onda com muitos harmônicos diferentes, o que se reflete em um fator de potência menor, o que pode ser danoso à rede elétrica. Apesar disso, esta forma de onda melhora o desempenho de máquinas elétricas ao deixar seu torque mais uniforme, aumentando seu tempo de vida útil.
Experiência 2 - Retificador Trifásico em ponte a diodos (Ponte de Graetz)
Estrutura
Esta ponte está representada na Figura 17, alimentada por um transformador trifásico, ambos em conexão estrela (Y). Assim como no caso anterior, a carga pode ser qualquer carga linear (RLC). Além disto, pode ser um banco de baterias, considerada uma carga ativa.
Figura 17 - Ponte retificadora trifásica a diodos.
Aplicações
Esta configuração apresenta diversas vantagens em relação à ponte monofásica estudada no item 4.1 - : Utiliza as três fases normalmente disponíveis para as indústrias, tornando a alimentação menos sujeita às variações de potência, funciona bem para equipamentos de grande potência e gera uma tensão contínua com ondulações mais amortecidas e de frequência 6 vezes maior que a da fonte. 
Comportamento
Cada diodo conduz corrente em até 120°. Existem sempre dois diodos conduzindo e quatro bloqueados (salvo durante a comutação). As formas de onda das grandezas mais importantes, para carga resistiva, estão representadas na figura a seguir.
Figura 18 - Formas de onda para carga resistiva.
Procedimento Experimental e Análise de Resultados
Alimentação de uma carga resistiva
Figura 19 - Ponte retificadora trifásica a diodos com carga resistiva.
Procedimentos
Montar o circuito apresentado na Figura 19.
Fazer uma revisão na montagem e energizá-la.
Verificar se as tensões e correntes se apresentam de forma esperada.
Verificar com o osciloscópio as seguintes formas de onda: Tensão no secundário do transformador, tensão nos terminais de um diodo, corrente em um diodo, tensão e corrente na carga.
Verificar a expressão Vmd = 2,34V2.
Resultados experimentais para R = 150Ω
Figura 20 - Tensões de fase nos três enrolamentos do secundário.
Figura 21 - Corrente de Enrolamento (i2).
Figura 22 - Vcc (canal 1) e Icc (canal 2).
Figura 23 - Corrente em um diodo.
Alimentação de uma carga indutiva
A seguir, para uma análise mais aprofundada da Ponte de Graetz, adicionamos uma carga indutiva de 100mH em série com o resistor de 150 ohms, na figura Figura 19.
Resultados experimentais para R = 150 ohm e L = 100mH:
Figura 24 - Corrente de enrolamento para uma carga indutiva/resistiva.
Figura 25 – Corrente em um Diodo.
Figura 26 – VCC (CH1) e ICC (CH2).
Conclusões:
Utilizando apenas uma carga resistiva, a tensão e a corrente retificadas ficam em fase. A adição do elemento indutivo causa uma defasagem da corrente em relação a tensão. Infelizmente, esta defasagem gera uma forma de onda com muitos harmônicos diferentes, o que se reflete em um fator de potência menor, o que pode ser danoso à rede elétrica. Apesar disso, esta forma de onda melhora o desempenho de máquinas elétricas ao deixar seu torque mais uniforme, aumentando seu tempo de vida útil.
Experiência 3 – Retificador Monofásico de Onda Completa em ponte a Tiristor
 Estrutura
Na vislumbre na Figura 27 o circuito deste retificador. Ele apresenta um transformador para isolamento, quatro tiristores (T1, T2, T3 e T4), um fusível (F) e o circuito de comando para disparo dos tiristores. A diferença desta ponte, se comparada com as anteriores, é que a zona de condução dos diodos é controlada, para realizar um comportamento mais flexível.
Figura 27 – Retificador Monofásico de Onda Completa a Tiristor	
Da mesma forma que nas experiências anteriores, a carga pode ser indutiva, capacitiva, resistiva ou mista. Em aplicações de eletrônica de potência geralmente alimenta-se uma carga RL. Caso a carga seja um motor, pode existir uma força contra eletromotriz, equivalente a uma fonte fazendo parte da carga. Neste caso a estrutura pode atuar como um inversor.
 Aplicações
Esta ponte é utilizada para acionamentos elétricos de motores de corrente contínua que trabalham a velocidades variáveis, com tensões variáveis.
Esta ponte se torna menos acessível economicamente, pois utiliza quatro tiristores, mas também existe a alternativa de utilizar apenas dois tiristores e dois diodos, para reduzir custos.
 Comportamento
A seguir, considera-se que os Tiristores T1 e T4, serão disparados simultaneamente e de modo complementar aos tiristores T2 e T3.
Carga resistiva
Figura 28 - Formas de onda para carga resistiva.
As formas de onda apresentam um comportamento modulado pela frequência dos pulsos de corrente nos gates, que variam o duty cycle que a carga está realmente sendo exposta.
Carga indutiva (ωL>>R)
Figura 29 - Formas de onda para carga indutiva (ωL>>R).
Da Figura 29, pode-se concluir que o ângulo e o ângulo de extinção variam a tensão média sobre a carga. O ângulo de extinção se altera de acordo com a corrente de carga e com a indutância.
O ângulo pode ser limitado e fixo ( + 180º) quando a carga apresenta forma de onda do tipo “condução contínua”.
Ao aumentarmos o valor do ângulo de extinção chegaremos à “condução crítica” ( = + ) e à “condução contínua” a partir daí.
 Procedimento Experimental e Análise de Resultados
 Alimentação de uma carga resistiva
Para a realização desta experiência utilizou-se um transformador abaixador 220/110 v, com potência aparente nominal de 300VA, quatro Tiristores de 800V/12A, um resistor de 75 ohm e 300W, um reostatode 50 ohm e 300W e um fusível de 4 A.
Procedimentos:
Variando o ângulo de disparo (), medir a tensão, corrente eficaz e tensão média na carga. Observar as formas de onda de tensão e de corrente na carga, com o auxílio do osciloscópio.
Observar com o osciloscópio a forma de onda da tensão nos terminais do tiristor T1, variando o ângulo de disparo ().
Com os dados obtidos, traçar a curva da tensão média de carga em função do ângulo de disparo .
Comparar os valores obtidos experimentalmente com os valores teóricos.
Resultados experimentais para R = 75 e R = 125:
Figura 30 - V2 (CH1) e VT1 (CH2).
Figura 31 - IT1 p/ R=125 (CH1) e IT1 p/ R=75 (CH2).
Figura 32 - VCC (CH1), ICC p/ R=125 (CH2) e IT1 p/ R=75 (CH3).
Alimentação de uma carga indutiva
A seguir, analisaremos o comportamento do retificador de onda completa a Tiristores para uma carga indutiva de 100mH a 500mH.
Procedimentos
Variando o ângulo de disparo , medir os valores eficazes de tensão e corrente, e a tensão média, na carga. Observar as formas de onda com o osciloscópio. (Escolher uma indutância de modo que L >> R.
Observar com o osciloscópio a forma da tensão nos terminais do tiristor T1, variando o ângulo de disparo . Observar também a passagem da condução descontínua para contínua, verificando se = + 180º.
Com um resistor de 0,5 em série com o tiristor T1, verificar a corrente sobre o mesmo. Do mesmo modo, verificar a corrente fornecida pela fonte.
Mantendo fixo o ângulo de disparo ( = 60º) e a resistência de carga, variar a indutância de carga, medindo a variação do ângulo de extinção e as tensões média e eficaz e a corrente eficaz sobre a carga.
Através dos dados obtidos no item 1, traçar a curva da tensão média de carga em função do ângulo de disparo .
Comparar os valores obtidos experimentalmente com os valores teóricos.
Resultados experimentais para R = 75 e L = 500mH
Figura 33 - VT1 (CH1) e V2 (CH2)
	Figura 34 - IT1 (CH1).	
Figura 35 - VCC (CH1) e ICC (CH2).
Conclusões
Os conversores estáticos apresentam grandes vantagens em relação aos rotativos: volume, peso e custo reduzidos, maior rendimento, necessidade reduzida de manutenções e resposta rápida. Em contrapartida, causam um efeito indesejável na rede, com a inclusão de diversas harmônicas que prejudicam o funcionamento de outros equipamentos. Muitas vezes é necessária a inclusão de filtros para minimizar este efeito.
Em adendo às especificações de máquinas, parte do trabalho do projetista será escolher os Tiristores com as especificações corretas, se preocupando com o tempo de disparo, tensão de ruptura, tensão de ruptura reversa, potência nominal.
Experiência 4 – Conversor CA/CA monofásico a triac (ou tiristor)
Estrutura
Figura 36 - Gradador monofásico com triac.
Aplicações
Este é um dos modos de acionamentos mais recentes e mais utilizados atualmente. É grande facilitador quando se deseja controlar a potência de uma carga de corrente alternada (controle do valor eficaz de tensão na carga). Os usos mais comuns estão em controle de intensidade luminosa, temperatura, velocidade de motores universais, solda elétrica a resistência e controle de velocidade de motores de indução.
Comportamento
Carga Resistiva
Na Figura 37 observamos que a forma de onda de tensão e corrente são iguais, porém escaladas por um fator referente à resistência.
Figura 37 - Gradador monofásico com carga resistiva.
Carga indutiva
A seguir, o gráfico para o comportamento do Triac, porém com uma carga indutiva.
Figura 38 - Gradador monofásico com carga indutiva.
Procedimento Experimental e Análise de resultados
Figura 39 - Montagem do gradador com tiristores em anti-paralelo.
Procedimentos
Montar o circuito apresentado do Triac.
Fazer uma revisão na montagem e energizá-la.
Verificar se as tensões e correntes indicadas nos instrumentos estão de acordo com os valores esperados.
Verificar com o osciloscópio as seguintes formas de onda para vários valores do ângulo :
Tensão de carga.
Corrente de carga.
Tensão nos terminais do tiristor.
Levantar ponto a ponto as curvas que representam VZ_ef e IZ_ef em função do ângulo .
Resultados experimentais para R = 75 e 125
Figura 40 - VT1 (CH1).
Figura 41 - VCC (CH1) e ICC p/ R = 75 (CH2) e ICC p/ R =125 (CH3).
Resultados experimentais para R = 75 e L = 100mH
Figura 42 - VT1 (CH1).
Figura 43 - VCC (CH1) e ICC (CH2).
Conclusões
Gradadores a Triac, também conhecidos como Tiristores em anti-paralelo, permitem controlar a potência em cargas de corrente alternada. Dentro deste contexto, podemos citar desde aplicações industriais, como controle de velocidade de motores de indução ou motores universais, até aplicações domésticas, como controle de intensidade luminosa, temperatura da água de chuveiros e velocidade de ventiladores. Apesar de ser indispensável para muitas tarefas, ele apresenta um defeito considerável, que é a inclusão de inúmeras harmônicas, o que contribui para a diminuição do fator de potência do sistema.
CONCLUSÃO
O mundo como se conhece hoje, jamais seria possível sem a utilização das máquinas elétricas, pois elas permitem uma fácil e eficiente conversão entre diversos tipos de energias, são altamente controláveis e são a alternativa mais econômica para o crescimento industrial. Porém, surgem algumas dificuldades para seu acionamento, o que requer certo grau de conhecimento.
Para o acionamento destas máquinas elétricas, foram apresentados na disciplina diversos circuitos, e foram analisados seus comportamentos. 
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