MAQUINAS_AULA_06_MAQUINAS_INDUÇÃO

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Curso: Engenharia Elétrica
Professor: Dêibson Sena, MSc
E-mail: Deibson.Sena@unifbv.edu.br
MÁQUINAS ELÉTRICAS
MÁQUINAS DE INDUÇÃO
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Introdução
A máquina de indução ou simplesmente máquina assíncrona é, dentre as máquinas
elétricas girantes, a mais utilizada no setor industrial em função de sua simplicidade,
resistência e boas características de funcionamento. Tanto o rotor quanto o estator
conduzem corrente alternada. Ela consiste de duas partes: o estator (parte estacionária) e o
rotor (parte rotativa). O estator está ligado à fonte de alimentação CA. O rotor não está
ligado eletricamente à alimentação.
O tipo mais importante de motor de indução polifásico é o motor trifásico. (As máquinas
trifásicas possuem três enrolamentos e fornecem uma saída entre os vários pares de
enrolamentos). Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação
trifásica, cria-se um campo magnético rotativo. À medida que o campo varre os condutores do
rotor, é induzida uma FEM nesses condutores ocasionando o aparecimento de um fluxo de
corrente nos condutores. Os condutores do rotor transportando corrente no campo do
estator possuem um torque exercido sobre eles que fazem o rotor girar, para o caso do
motor.
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Tipos
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Princípio de Funcionamento
O campo girante em máquinas trifásicas
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 ONDA DE FMM – CAMPO GIRANTE – Enrolamento Monofásico
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 ONDA DE FMM – CAMPO GIRANTE – Enrolamento Monofásico
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 ONDA DE FMM – CAMPO GIRANTE – Enrolamento Trifásico
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 ONDA DE FMM – CAMPO GIRANTE – Enrolamento Trifásico
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Princípio de Funcionamento
O campo girante em máquinas trifásicas
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Princípio de Funcionamento
O campo girante em máquinas trifásicas
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Princípio de Funcionamento
Suponhamos que os terminais do rotor estejam em aberto e que o rotor esteja parado.
Alimentando-se o enrolamento do estator com correntes trifásicas, o campo magnético
produzido pelo estator será “visto” pelos condutores do rotor como um campo magnético
rotativo girando a uma velocidade igual à rotação sincrona. Por esta razão, um condutor do
rotor observa um máximo da onda de campo magnético passando por ele em uma frequência
idêntica à do estator, provocando o aparecimento de uma tensão induzida na mesma frequência
do estator. Note que este tipo de operação se assemelha muito a um transformador operando
em vazio.
Suponhamos agora que os terminais do rotor sejam colocados em curto-circuito. Neste
instante, correntes induzidas trifásicas aparecem no rotor. Face as diferenças construtivas
existentes entre os dois enrolamentos (materiais, número de espiras, etc), as correntes do
rotor estarão defasadas (no tempo, e por conseguinte, também no espaço - de um ângulo ) das
correntes do estator. Nesta condição, a máquina assíncrona pode ser analisada como
constituída de duas bobinas (rotativas) cujos eixos magnéticos estão desalinhados de um
ângulo .
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Princípio de Funcionamento
Pelo princípio do conjugado de mútua indutância, é desenvolvido um conjugado entre essas
bobinas no sentido do alinhamento entre elas, de modo que o rotor começa a girar no sentido do
campo girante. Desta forma, a máquina assíncrona se comporta como motor com conjugado de
partida diferente de zero. Este conjugado de partida atua no sentido de levar o rotor a girar no
mesmo sentido do campo girante estabelecido pelo estator.
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 Classificação quanto ao Tipo do Rotor
1. Gaiola de Esquilo;
2. Rotor Bobinado.
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MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Classificação quanto ao Tipo do Rotor
1. Gaiola de Esquilo: Presente em aproximadamente 95% das máquinas assíncronas, o
rotor do tipo gaiola de esquilo tem um núcleo de lâminas de aço com os condutores
dispostos paralelamente ao eixo e entranhados nas fendas em volta do perímetro do
núcleo. Os condutores do rotor não são isolados do núcleo. Em cada terminal do rotor, os
condutores do rotor são todos curto-circuitados através de anéis terminais contínuos. Se
as laminações não estivessem presentes, os condutores do rotor e os seus anéis terminais
se pareceriam com uma gaiola giratória.
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Classificação quanto ao Tipo do Rotor
2. Rotor Bobinado: O rotor de um motor com rotor bobinado é envolvido por um
enrolamento isolado semelhante ao enrolamento do estator. Os enrolamentos de fase
do rotor são trazidos para o exterior aos três anéis coletores montados no eixo do
motor. O enrolamento do rotor não está ligado à fonte de alimentação. Os anéis
coletores e as escovas constituem simplesmente uma forma de se ligar um reostato
externo ao circuito do rotor. A finalidade do reostato é de controlar a corrente na
prática e a velocidade do motor.
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 Velocidade e Escorregamento
A velocidade do campo magnético rotativo é chamada de velocidade síncrona da
máquina.
onde:
ns= velocidade de rotação do campo magnético rotativo, em rpm
f = freqüência da corrente do rotor, em Hz
p = número total de pólos do motor
Um motor de indução não pode funcionar com a velocidade de sincronismo, pois
nesse caso o rotor estaria estacionário com relação ao campo rotativo e não seria
induzida nenhuma FEM no rotor. A velocidade do rotor deve ser ligeiramente menor do
que a velocidade de sincronismo, a fim de que seja induzida uma corrente no rotor para
permitir a rotação do rotor.
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 Velocidade e Escorregamento(Deslizamento)
onde:
S = escorregamento
nS = velocidade de sincronismo, em rpm
nR = velocidade do rotor, em rpm
A diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade de sincronismo é
chamada de escorregamento e é expressa como uma porcentagem da velocidade de
sincronismo.
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 Escorregamento ou Deslizamento
Frequência de escorregamento
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 Escorregamento ou Deslizamento
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Correntes e Fluxos em Máquinas de Indução Polifásicas
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Correntes e Fluxos em Máquinas de Indução Polifásicas
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Circuito Equivalente
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
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Nesse desenvolvimento, apenas máquinas com enrolamentos polifásicos simétricos,
excitados por tensões polifásicas equilibradas, são consideradas. Como em muitas
outras discussões de dispositivos polifásicos, é útil pensar que as máquinas trifásicas
estão ligadas em Y, de modo que as correntes e tensões sejam sempre expressas por
valores de fase. Nesse caso, podemos deduzir o circuito equivalente para uma fase,
ficando subentendido que as tensões e correntes nas demais fases podem ser obtidas por
meio de um simples deslocamento adequado da fase que está sendo estudada (±120° no
caso de uma máquina trifásica).
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 Circuito Equivalente
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Para completar o nosso modelo, os efeitos do rotor devem ser incluídos. Do ponto de
vista do circuito equivalente, o rotor pode ser representado por uma impedância
equivalente Z2 que corresponde à impedância de dispersão de um secundário
equivalente estacionário. Para completar o circuito equivalente, devemos determinar o
valor de Z2 que represente as tensões e correntes em termos dasgrandezas do rotor
referidas ao estator.
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 Circuito Equivalente
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Relação entre fluxos concatenados e correntes:
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 Circuito Equivalente
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Equações de tensão:
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 Circuito Equivalente
 EXEMPLO
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 EXEMPLO
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 SOLUÇÃO
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 SOLUÇÃO
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Em sua forma geral, o teorema de Thévenin permite a substituição de qualquer rede,
vista em dois terminais a e b (Figura 1a), por uma única fonte de tensão complexa em
série com uma única impedância Zeq (Figura 1b). A tensão equivalente de Thévenin é a
que aparece nos terminais a e b da rede original quando esses terminais estão em
circuito aberto. A impedância equivalente de Thévenin Zeq é aquela que aparece nos
mesmos terminais quando todas as fontes de tensão dentro da rede são zeradas.
Figura 1a
Figura 1b
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Em aplicações que envolvem o circuito equivalente do motor de indução, os pontos a e
b são os indicados na Figura 2a e 2b. Então, o circuito equivalente apresenta as formas
dadas na Figura 3, onde o teorema de Thévenin foi usado para transformar a rede
localizada à esquerda dos pontos a e b em uma fonte de tensão equivalente em série
com uma impedância equivalente Z1,eq = R1,eq + j X1,eq.
Figura 2a Figura 2b
Figura 3
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
De acordo com o teorema de Thévenin, a tensão da fonte equivalente é a tensão que
aparece nos terminais a e b da Figura abaixo quando os circuitos de rotor são
removidos.
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
A Figura abaixo mostra as características de conjugado e potência típicas de um motor
de indução operando na região de funcionamento como motor (0 ≤ s ≤ 1,0). Na figura,
as condições de operação em plena carga são indicadas pelo escorregamento spc,
conjugado Tpc e potência Ppc. Vemos que a capacidade máxima de conjugado (e
potência) é, em geral, algumas vezes a de seu valor de plena carga, ocorrendo com um
escorregamento significativamente mais elevado. O conjugado eletromecânico máximo
Tmax ocorre em smaxT, ao passo que a potência máxima Pmax ocorre em um
escorregamento um pouco menor smaxP.
 Conjugado e Potência – Teorema de Thévenin
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Uma expressão para Tmax pode ser obtida com facilidade a partir de uma análise do
circuito. Pode-se demonstrar que a potência será máxima quando a impedância de R2/s
for igual ao valor da impedância R1,eq + j (X1,eq + X2) que está entre ela e a tensão
equivalente constante. Assim, o conjugado eletromecânico máximo ocorrerá com um
valor de escorregamento smaxT para o qual tem-se:
 Determinação de parâmetros a partir de ensaios a vazio e com rotor bloqueado
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Como no caso do ensaio em circuito aberto de um transformador, o ensaio a vazio ou
em circuito aberto de um motor de indução fornece informações em relação à corrente
de excitação e às perdas a vazio. Em geral, esse ensaio é executado em frequência
nominal e com tensões polifásicas equilibradas aplicadas aos terminais do estator.
Depois de o motor terminal ter funcionado por um tempo suficiente para que os
mancais se lubrifiquem apropriadamente, as leituras são executadas na tensão nominal.
Ensaios a Vazio
 Determinação de parâmetros a partir de ensaios a vazio e com rotor bloqueado
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Como no caso do ensaio em curto-circuito de um transformador, o ensaio de rotor
bloqueado ou travado de um motor de indução fornece informações sobre as
impedâncias de dispersão. O rotor é bloqueado, de modo que não possa girar (sendo o
escorregamento, portanto, igual à unidade), e tensões polifásicas equilibradas são
aplicadas aos terminais do estator.
Ensaios a rotor bloqueado
 Determinação de parâmetros a partir de ensaios a vazio e com rotor bloqueado
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Ensaios a rotor bloqueado
 Determinação de parâmetros a partir de ensaios a vazio e com rotor bloqueado
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
Ensaios a rotor bloqueado
 Determinação de parâmetros a partir de ensaios a vazio e com rotor bloqueado
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 Efeito da Resistência do Rotor
• Conjugado de partida alto;
• Corrente de partida baixa;
• Fator de potência melhorado;
• Melhoria no rendimento;
• Temperatura interna menor;
• Velocidade variável.
Inserção de
resistências
ProblemaProblema ControleControle ResultadoResultado
• Partidas severas;
• Compromisso permanente entre
parâmetros.
Ex.: aumento de rendimento acarreta
diminuição do conjugado e elevação
da corrente de partida.
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
 Efeito da Resistência do Rotor
Motor de rotor bobinado
MÁQUINAS POLIFÁSICAS DE INDUÇÃO
O uso do rotor bobinado é um modo efetivo de
evitar a necessidade de obter um meio-termo
entre os diversos fatores. Em um motor de rotor
bobinado, o rotor é construído com um
enrolamento polifásico similar ao do estator. Os
terminais dos enrolamentos do rotor são
conectados a anéis deslizantes. Escovas
estacionárias em contato com os anéis
deslizantes são usadas para conectar os
enrolamentos em série com resistores externos
que podem ser usados para controlar o
conjugado e a corrente de partida. À medida que
o motor ganha velocidade, os valores dos
resistores podem ser variados e, por fim, podem
ser curto-circuitados para obter o máximo
rendimento nas velocidades de operação.
AGRADECIMENTOS