CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA

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ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL FERREIRA VIANA – FAETEC 
Professora: Margareth N. Silva 
Disciplina: Máquinas Elétricas 
 
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CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 
Em todos os sistemas físicos a energia não é criada nem destruída, ela simplesmente muda de 
forma. Juntando este principio com as leis de campo magnético e elétrico, de circuitos elétricos e a 
mecânica Newtoniana tem-se como determinar as relações características do acoplamento eletromecânico. 
A conversão eletromecânica relaciona as forças elétricas e magnéticas do átomo com a força 
mecânica aplicada à matéria em movimento. Esta conversão de energia não é totalmente reversível, já 
que produz outras formas de energia tal como calor e luz. 
Michael Faraday, em 1831, acenou com a primeira possibilidade de intercâmbio entre energia 
elétrica e mecânica, dando início ao gerador e motor elétrico e a vários outros dispositivos de conversão 
de energia. 
Os dispositivos que funcionam como intermediários na conversão de energia elétrica em mecânica 
e vice-versa são as MÁQUINAS ELÉTRICAS. 
 
2.1 
Indução eletromagnética e força eletromagnética 
 
Para entendermos a conversão de energia, faz-se necessário conhecermos os fenômenos naturais 
que regem esta conversão, pressupondo que a mesma seja completa. 
Os efeitos eletromagnéticos mais importantes envolvidos na conversão eletromecânica de energia 
são: Indução e Força eletromagnéticas. 
 
2.2 
Lei de Faraday da indução eletromagnética 
 
Antes da descoberta de Faraday só tínhamos tensão gerada num circuito por ação química. Faraday 
gerou uma tensão através do movimento relativo entre um condutor de eletricidade e um campo 
magnético. 
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Como a tensão gerada só acontecia quando havia movimento relativo entre o campo e o condutor 
sem contato físico entre eles, Faraday a denominou de tensão induzida, figura 6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.3 
Como variar a força eletromotriz (fem)? 
 
Nas máquinas elétricas rotativas a quantidade de fluxo concatenado não e tão facilmente 
mensurável. 
Para que uma fem seja induzida é necessário que haja uma variação continua das ligações do fluxo 
e isto exige um movimento, de modo que novas linhas de força concatenem o condutor ou vice-versa. 
É evidente que a fem só variará com a variação da densidade de fluxo ou da velocidade relativa 
(ou ambas), variando desta forma o fluxo concatenado. 
O aumento do comprimento do condutor não variará a fem, já que o comprimento que nos 
interessa e o comprimento ativo. 
 
O valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à 
razão da variação das linhas de força que passam através daquela espira 
(ou se concatenam com ela). 
Figura 6 - Condutor de comprimento l movendo-se em um campo magnético B, para gerar uma fem. 
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2.4 
Sentido da forca eletromotriz induzida – Regra de Fleming 
 
A relação entre o sentido da fem induzida, do campo magnético e do movimento do condutor e 
representada pela regra de Fleming (regra da mão direita). 
Esta regra pressupõe que o campo está estacionário e que o condutor se move em relação a este 
campo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Observe que o sentido da fem, na figura 8 é oposta a da figura 7 devido ao fato de se ter invertido 
seu sentido. 
 
2.5 
Lei de Lenz 
 
O sentido da fem e da corrente induzida no condutor guardam uma relação definida com a variação 
no fluxo concatenado que a induz, relação esta estabelecida pela Lei de Lenz. 
No essencial as leis de Lenz e Faraday dizem que: sempre que um condutor ou espira se 
movimenta dentro de campo magnético, cortando as linhas de força, surge nos seus terminais uma força 
eletromagnética (f.e.m.) induzida, que tende a opor-se à causa que lhe deu origem. Se os condutores ou 
espira forem ligados a uma carga, o circuito será percorrido por uma corrente elétrica induzida. 
 A causa que origina a f.e.m. é obviamente a variação do fluxo através do condutor ou espira 
provocada pelo seu movimento no campo magnético. 
Figura 7 - Regra da mão direita, de Fleming, para o 
sentido da fem induzida (corrente convencional) 
Figura 8 – Inversão do sentido da fem induzida 
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A lei de Lenz implica uma causa e um efeito opondo-se à causa. 
 
2.6 
Geradores Elementares 
 
Quando uma corrente elétrica atravessa um condutor é criado em redor do mesmo um campo 
magnético. Se colocarmos esse condutor no seio de um campo magnético fixo aquele ficará submetido a 
uma força eletromagnética que terá como efeito fazer com que o condutor se desloque. 
 
Costuma-se representar o comportamento das máquinas elétricas a partir de uma bobina elementar 
de uma espira única girando no sentido horário num campo bipolar, embora as máquinas comerciais 
tenham muitas bobinas consistindo de muitos condutores individuais e espiras ligadas em série, figura 9. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. No caso de um gerador elementar, a energia elétrica ée consumida apenas quando uma carga 
completa o percurso, de modo que a corrente circula devida à fem induzida. O campo produzido por esta 
corrente de carga atua de modo a reagir com o campo magnético do gerador. Quanto mais energia elétrica 
for solicitada pela carga, mais forte será o campo produzido pela corrente do condutor e em oposição ao 
movimento da maquina primaria que aciona o gerador. 
 
Em todos os casos de indução eletromagnética, uma fem induzida fará com que a corrente circule em 
um circuito fechado, num sentido tal que seu efeito magnético se oponha à variação que a produziu. 
Assim surge o princípio de funcionamento de uma máquina elétrica elementar 
Figura 9 - geração de fem 
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2.7 
Força Eletromagnética 
 
 
 
 
 
Logo, se um condutor se situa num campo magnético ou nele é inserido, e uma tensão é aplicada a 
ele, de tal forma que circule uma corrente, será desenvolvida uma força, e o condutor tenderá a mover-se 
em relação ao campo ou vice-versa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.8 
Sentido da força eletromagnética e regra da mão esquerda 
 
A regra de Fleming (regra da mão direita) serve para explicar a ação geradora, já na regra da mão 
esquerda, o dedo indicador também indica o sentido do campo (N para S), o dedo médio indica o sentido 
da corrente circulante (ou fem aplicada), e o polegar indica o sentido da força desenvolvida no condutor ou 
do movimento resultante. 
 
Uma força eletromagnética existirá entre um condutor e um campo sempre que o condutor 
percorrido por uma corrente estiver localizado no campo magnético, numa posição tal que haja 
uma componente do comprimento ativo do condutor perpendicular ao campo 
campo 
força 
corrente 
Figura 10 – Condutor de comprimento ℓ, percorrido por uma corrente I, num campo 
magnético B, desenvolvendo uma força F. 
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2.9 
Força contra-eletromotriz 
 
A força contra-eletromotriz é desenvolvida em sentido contrário ao da circulação da corrente 
(e fem) que criou a força ou movimento. Isto está de acordo com a Lei de Lenz e mostraque uma ação 
geradora é simultaneamente desenvolvida quando queremos que ocorra uma ação motora. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.10 
Ação Motora x Ação Geradora 
 
A ação geradora e a ação motora ocorrem simultaneamente nas máquinas elétricas girantes. 
Portanto a mesma máquina pode ser operada tanto como motor quanto como gerador, ou como ambas (ex: 
conversor síncrono ou dinamotor). 
Quando a máquina é operada como gerador, a corrente de armadura tem o mesmo sentido da fem 
gerada, e a fem gerada é maior que a tensão dos terminais da armadura que é aplicada à carga. 
Esta distinção entre ação geradora e ação motora dá origem às seguintes equações básicas do 
circuito de armadura: 
 
 
 
Ua = tensão aplicada (medida nos terminais) de lado a lado da armadura 
Ec = fcem gerada, desenvolvida na armadura do motor 
Eg = fem gerada, desenvolvida na armadura do gerador 
Ia Ra = queda de tensão na armadura devido à circulação da corrente da armadura através de uma armadura de dada 
resistência Ra 
 
Para um motor Ua = Ec + Ia Ra 
Para um gerador Eg = Ua + Ia Ra 
Figura 11 - Regra da mão esquerda e ação motora Figura 12 - Regra da mão direita e a ação geradora 
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Quando circula a corrente de armadura Ia, Ec e Eg são quantidades determinadas apenas por 
cálculos e Ua é uma quantidade mensurável por um voltímetro. 
Relações eletromagnéticas fundamentais da máquina operando como gerador e como motor 
 
Ação Motora Ação Geradora 
1. O torque eletromagnético 
produz(ajuda) a rotação 
1. O torque eletromagnético 
(desenvolvido no condutor 
percorrido pela corrente) 
opõe-se à rotação (Lei de 
Lenz) 
2. A tensão gerada se opõe à 
corrente de armadura(Lei de 
Lenz) 
2. A tensão gerada produz 
 (ajuda) a corrente da 
armadura 
3. Ec = Ua -IaRa 3. Eg = Ua + RaIa 
 
2.11 
Torque Eletromagnético 
 
Como já abordado em itens anteriores, a conversão eletromecânica de energia não é 
completamente reversível, parte da energia se perde na forma de aquecimento. 
Os princípios que regem as máquinas de corrente alternada (CA) são fundamentalmente os 
mesmos que regem as máquinas de corrente contínua. 
O torque desenvolvido por uma máquina elétrica (CA ou CC) é expresso por uma equação 
derivada da lei de Ampère. Esta equação é semelhante para estes dois tipos de máquinas, a única diferença 
reside nos detalhes de construção mecânica. Da mesma forma, a tensão induzida é expressa por uma 
equação formulada pela lei de Faraday, diferenciando-se apenas pela forma construtiva. 
Em um sistema mecânico, as grandezas fundamentais são torque e velocidade, assim como num 
sistema elétrico as grandezas fundamentais são a tensão e a corrente elétrica. Como a conversão 
eletromecânica de energia envolve a transformação da energia elétrica em mecânica e vice-versa, essas 
grandezas são de suma importância no estudo do torque eletromagnético. 
A ação motora ocorre quando injetamos corrente elétrica num condutor que pode girar livremente 
num campo magnético. Uma força expressa pela equação F = I2 l B, sendo: B = µµµµI1 / (2pipipipir), 
é produzida em cada condutor e a resultante será um torque eletromagnético T que gera uma velocidade 
angular ωωωω, figura 13. 
 
 
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Como a ação motora ocorre simultaneamente com a ação geradora, no momento em que é gerado o 
torque, uma fem de reação será experimentada pela máquina. Já na ação geradora, ao girarmos o rotor da 
máquina elétrica por meio de uma máquina primária, uma fem é induzida nos terminais dos enrolamentos. 
Quando aplicamos uma carga elétrica a esses terminais, fechando o circuito elétrico, uma corrente elétrica 
circula pelo enrolamento que interage com o campo magnético produzindo um torque de reação oposto ao 
torque criado pela força motriz, obedecendo à lei de Lenz. 
O torque (também chamado conjugado, momento ou binário) é a tendência do acoplamento 
mecânico (de uma força e sua distância radial ao eixo de rotação) para girar um eixo. 
Para determinar o comportamento do sistema formado pela máquina mais a carga (ou outro 
sistema mecânico a ela acoplado) torna-se necessário estabelecer uma equação mecânica para movimento, 
a qual é obtida a partir das Leis de Newton. 
No caso de um motor o sistema mecânico nada mais é do que a carga e o torque resistente é 
representado pelo torque resistente da carga TL, figura 14. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TL - torque resistente, o qual depende do sistema mecânico acoplado ao eixo da máquina (N.m) 
T - torque eletromagnético aplicado no eixo 
 
Campo de 
acoplamento Sistema elétrico Sistema mecânico 
T, ωωωωm e, i
 
Figura 13 – Representação em bloco da conversão eletromecânica de energia
 
Figura 14 - Representação esquemática dos torques que atuam no rotor. 
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O torque não deve ser confundido com o trabalho. O torque existe como produto de uma força f 
pela distância radial ao centro do eixo de rotação e mesmo que o corpo não gire, o torque não é nulo pois a 
distância considerada, neste caso, é a distância radial e ela nunca será zerada. Já o trabalho é o produto de 
uma força f que atua na mesma direção na qual o corpo se move pela distância d. Se há uma força 
aplicada, mas não há movimento, nenhum trabalho é realizado. 
 
2.12 
Campo girante e campo pulsante 
 
 
 
2.12.1 
Campo pulsante 
Consideremos um enrolamento distribuído no estator de um motor de indução monofásico. A 
corrente monofásica que percorre o enrolamento gera um campo magnético que acompanha a variação 
senoidal da corrente, formando sempre um par de pólos N-S, cuja posição depende o sentido da corrente. 
Diz-se que o campo é pulsante, isto é, o campo muda de polaridade, mantendo fixo o eixo de simetria, 
figura 15. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A figura 15 mostra um “enrolamento monofásico” atravessado por uma corrente I, e o campo H é 
criado por ela; o enrolamento é constituído de um par de pólos (um pólo “norte” e um pólo “sul”), cujos 
efeitos se somam para estabelecer o campo H. O fluxo magnético atravessa o rotor entre os dois pólos e se 
fecha através do núcleo do estator. 
Figura 15 – Campo magnético pulsante 
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Se a corrente I é alternada, o campo H também é, e o seu valor a cada instante será representando 
pelo gráfico desta figura, inclusive invertendo o sentido em cada meio ciclo. 
O campo H é “pulsante” pois, sua intensidade “varia” proporcionalmente à corrente, sempre na 
“mesma” direção norte-sul. 
 
 
2.12.2 
Campo girante 
Se em vez de um motor monofásico considerarmos um trifásico, as correntes trifásicas que 
percorrem os enrolamentos (fases) do estator vão gerar, em cada fase, campos pulsantes, defasados de um 
ângulo igual ao da defasagem entre as tensões aplicadas, cujos eixos de simetria são fixos no espaço, mas 
cuja resultante é um campo que gira num determinado sentido, denominado campo girante, figura 16. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A figura 16 mostra um “enrolamento trifásico”, que é composto por três monofásicos espaçados 
entre si de 120o. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 
criarão, do mesmo modo, os seus próprios campos magnéticos H1, H2 e H3. Estes campos são espaçados 
entre si de 120o.Além disso, como são proporcionais às respectivas correntes, serão defasados no tempo, 
também de 120o entre si e podem ser representandos pelo gráfico da figura. O campo total H resultante, a 
cada instante, será igual à soma gráfica dos três campos H1, H2 e H3 naquele instante. 
 
 
 
 
Figura 16 – Campo magnético girante 
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A figura 17 representa a soma gráfica para seis momentos distintos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
No instante ( 1 ), a figura 17, mostra que o campo H1 é máximo e os campos H2 e H3 são negativos e 
de mesmo valor, iguais a 0,5. Os três campos são representados na figura 17 ( 1 ), parte superior, levando 
em conta que o campo negativo é representado por uma seta de sentido oposto ao que seria normal; o 
campo resultante (soma gráfica) é mostrado na parte inferior da figura 17 ( 1 ), tendo a mesma direção do 
enrolamento da fase 1. 
Repetindo a construção para os pontos 2, 3, 4, 5 e 6 da figura 17, observa-se que o campo resultante 
H tem intensidade “constante”, porém sua direção vai “girando”, completando uma volta no fim de um 
ciclo. 
Assim, quando um enrolamento trifásico é alimentado por correntes trifásicas, cria-se um “campo 
girante”, como se houvesse um único par de pólos girantes, de intensidade constante. Este campo girante, 
criado pelo enrolamento trifásico do estator, induz tensões nas barras do rotor (linhas de fluxo cortam as 
barras do rotor) as quais geram correntes, e conseqüentemente, um campo no rotor, de polaridade oposta à 
do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo do estator (campo girante) é rotativo, 
o rotor tende a acompanhar a rotação deste campo. Desenvolve-se então, no rotor, um conjugado motor 
que faz com que ele gire, acionando a carga. 
 
2.13 
Tensão, Corrente e Potência Nominal da máquina 
 
A tensão nominal da máquina é determinada apenas pelo número de bobinas ligadas em série, por 
caminho, que é aproximadamente igual, e não pelo nº de caminhos paralelos. 
Figura 17 – Representação da soma gráfica 
do campo magnético girante. 
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Cada caminho consiste de um grupo de bobinas ligadas em série e cada bobina possui uma tensão 
nominal admissível (motor) ou uma tensão gerada (gerador). 
A corrente nominal é a capacidade de cada bobina ou do condutor em cada caminho, ou do grupo 
de bobina ligado em série. Se aumentarmos o nº de caminhos, aumentamos a corrente nominal da 
máquina. Porém o nº total de condutores ou bobinas é fixo para uma dada armadura, logo, o nº de 
caminhos e a corrente nominal de uma dada máquina podem ser aumentados somente à custa da tensão 
nominal. 
Fazendo uma comparação, uma bateria consiste de um grupo série-paralelo de pilhas. A potência 
nominal de cada pilha determina a potência nominal de cada bateria, independente do método de ligação, 
para um dado nº de pilhas. A potência nominal de qualquer bateria é fixa, embora sua tensão e corrente 
nominais possam variar com as ligações empregadas. Este conceito aplica-se aos condutores e aos 
enrolamentos da armadura de uma máquina. 
A única forma de aumentar a potência nominal de uma máquina, considerando o exposto acima, 
seria empregar uma armadura maior, já que a potência nominal é fixada pela corrente e tensão nominais 
de suas bobinas individuais em determinado caminho. 
Assim, o tamanho físico é uma indicação da potência nominal das máquinas elétricas e esta 
independe da forma de ligação dos condutores da armadura.