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Apostila Conversão de Energia

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UNIVERSIDADE 
 
FEEVALE 
 
ICET / ENG. ELETRÔNICA 
 
CONVERSÃO 
DE 
 ENERGIA 
 
 
Prof. Moisés de Mattos Dias 
 
 
 
 
 
2 
 
SUMÁRIO 
 
ÁREA I 
 
1. GRANDEZAS ELETROMAGNÉTICAS ENVOLVIDAS NO ESTUDO DE 
MÁQUINAS ELÉTRICAS 
2. PRINCÍPIOS DA CONVERSÃO DE ENERGIA 
3. TRANSFORMADORES 
4. MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA 
 
ÁREA II 
 
5. MOTORES ASSÍNCRONOS DE INDUÇÃO 
6. MÁQUINAS SÍNCRONOS 
7. GERAÇÃO E ENERGIAS RENOVÁVEIS 
8. MOTOR DE PASSO E SERVOMOTORES 
9. ACIONAMENTO E DISPOSITIVOS DE PARTIDA DE MOTORES 
10. CONTROLADORES, INVERSORES E CONVERSORES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUÇÃO 
 
Basicamente a disciplina estuda sistemas de Potências, como Geração de Energia 
Elétrica, Motores Elétricos, Quadro de Comando e Acionamento de Máquinas Elétricas 
Rotativas 
 
CRONOGRAMA 
 
Aula Data Conteúdo 
01 02/08 Introdução da Disciplina 
02 09/08 Cap.1 – Grandezas Eletromagnéticas 
03 16/08 Cap.2 – Princípios de Conversão de Energia 
04 23/08 Cap.3 – Transformadores 
05 30/08 Cap.4 – Máquinas de Corrente Contínua 
06 06/09 Laboratório I 
07 13/09 Prova I 
08 20/09 Feriado 
09 27/09 Semana Acadêmica 
10 04/10 Cap.5 – Motores Assíncronos 
11 11/10 Cap.6 – Máquinas Síncronas 
12 18/10 Cap.7 – Geração e Energias Renováveis 
13 25/10 Cap.8 – Motor de Passo e Servomotor 
14 01/10 Cap.9 – Acionamento e Dispositivos de Partida 
15 08/11 Cap.10 – Controladores, Inversores e Conversores 
16 15/11 Feriado 
17 22/11 Laboratório II 
18 29/11 Prova II 
Entrega da Lista de Exercícios 
19 06/12 Prova I ou II – Para quem perdeu ou substituição 
Devolução da Lista 
20 13/12 Avaliação Complementar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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OBSERVAÇÕES IMPORTANTES 
 
1. O Conteúdo foi dividido em Duas Áreas (1) e (2), e cada Área é Composta pelos 
seguintes arquivos (As áreas podem ser subdivididas em Sub-Itens): 
 
Apo + Exemplos – Apostila com conteúdos teóricos e Exercícios Resolvidos 
Exercício – Exercícios a Serem feitos pelos Alunos– A serem entregues conforme datas 
do Calendário 
Laboratório – A serem entregues conforme datas do Calendário 
 
2. As aulas estarão disponibilizadas via Black Board. Contudo, haverão Atividades 
Adicionais via Black Board (Ver Datas do Cronograma acima), onde o aluno terá postado 
trabalhos complementares. 
 
3. A Nota Final será Composta de Três Notas de Igual Proporção, conforme 
demonstrativo a seguir: 
- Prova 1 – 33,33% 
- Prova 2 – 33,33% 
- Nota 3 – 33,33% 
 
A Nota 3 será Composta da seguinte forma: 
- Lista de Exercícios (Área I) – 45 % 
- Laboratório (Área I) – 5 % 
- Lista de Exercícios (Área II) – 45 % 
- Laboratório (Área II) – 5 % 
 
4. Haverá Uma Prova de Recuperação de Conteúdos, antes da Avaliação Complementar, 
para quem por qualquer motivo não pode comparecer a uma das duas provas realizadas 
durante o semestre. Portanto quem perder as duas provas, terá que comprovar a ausência, 
seja por atestado médico ou comprovante da empresa devido a compromissos no 
trabalho. Também será possível refazer uma das duas provas, contudo a nota final será a 
média das duas provas, ou seja, a prova realizada na data e a Recuperação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. GRANDEZAS ELETROMAGNÉTICAS ENVOLVIDAS NO ESTUDO DE 
MÁQUINAS ELÉTRICAS 
 
1.1. INTRODUÇÃO 
 
 O estudo apropriado das máquinas elétricas inicia pela compreensão das principais 
grandezas físicas relacionadas com o eletromagnetismo, bem como um estudo sobre as 
principais unidades de medidas do magnetismo. Esta revisão se faz necessária para 
esclarecer, por exemplo, as diferenças entre as unidades de campo magnético, indução 
magnética e fluxo magnético. Portanto, a seguir é apresentado, uma breve revisão sobre 
as grandezas eletromagnéticas mais importantes. 
 
1.2. CAMPO MAGNÉTICO - H 
 
 Uma carga elétrica estática produz um campo elétrico E. De acordo com a lei de 
Ampére uma carga elétrica em movimento ou corrente elétrica I produz, além deste 
campo elétrico, um campo magnético H 
 
Hdl Jds I
s
  [1] 
 
onde H = campo magnético [A/m] 
 l = comprimento infinitesimal [m] 
 J = densidade de corrente [A/m
2
] 
 S = elemento infinitesimal de superfície [m
2
] 
 I = corrente elétrica [A] 
 
 A integral de linha H ao longo do caminho fechado é igual a corrente no fio 
quando os caminhos envolvem o fio (Fig. 1). O sentido do campo magnético também 
pode ser dado pela regra do saca-rolha (mão direita). O polegar aponta na direção de I e 
os outros dedos na direção de H. 
 
 
 
Fig. 1 - Campo magnético H a partir de corrente elétrica I 
 
6 
 
 No sistema internacional de unidades MKS (metro-kilograma-segundo) H é 
expresso em Ampére/metro [A/m]. No sistema CGS (centímetro-grama-segundo) H é 
expresso em Oersted [Oe] tal que 
 
0,01256 Oe = 1 A/m [2] 
 
1.3. DENSIDADE DE FLUXO (OU INDUÇÃO) MAGNÉTICA - B 
 
 Um campo magnético H induz linhas de fluxo magnético ou indução magnética 
B, que se relacionam através da permeabilidade magnética do meio  tal que 
 
B H  [3] 
 
onde B = indução magnética [T] ou [Wb/m
2
] 
  = permeabilidade magnética do meio [H/m] 
 H = campo magnético [A/m] 
 
 No sistema CGS B é expresso como Gauss [G] tal que 
 
1 T = 10
4
 G [4] 
 
 Para a maioria dos materiais B e H tem mesma direção e sentido (meios 
isotrópicos) e  é um escalar (número real). Em alguns cristais B pode não ter a mesma 
direção de H (meios anisotrópicos) e  é um tensor (matriz). 
 
1.4. FLUXO MAGNÉTICO TOTAL -  
 
 Para B uniforme e superfície plana o fluxo magnético total  perpendicular à 
superfície pode ser escrito como 
  BA [5] 
 
onde  = fluxo magnético total [Wb] 
 B = indução magnética [T] 
 A = área da seção, transversal às linhas de fluxo [m
2
] 
 
 Quando as linhas de indução magnéticas não são perpendiculares a área A (Fig. 
2), a Eq. 5 fica 
  BA.cos [6] 
 
onde  é o ângulo entre a perpendicular à área A e a direção de B. 
 
 Se B não for uniforme sobre uma área, a Eq. 6 se generaliza de tal forma que 
 
  B ds.cos . [7] 
7 
 
 
 
Fig. 2 - Linhas de fluxo magnético através da área A 
 
1.5. PERMEABILIDADE MAGNÉTICA RELATIVA - r 
 
 A permeabilidade magnética do meio é representada como 
 
   r o [8] 
 
onde  = permeabilidade magnética do meio [H/m] 
 r = permeabilidade magnética relativa [adimensional] 
 o = permeabilidade magnética do vácuo = 4 x 10
-7
 H/m 
 
 A Tab. 1 relaciona algumas substâncias com suas respectivas permeabilidades 
relativas. Deve-se salientar que a permeabilidade magnética relativa não é constante para 
alguns materiais, principalmente os ferromagnéticos e, neste caso, a tabela apresenta os 
valores máximos. A partir da Tab. 1 pode-se concluir o seguinte: 
 
 r (substâncias diamagnéticas)  ligeiramente menor que 1 
 r (substâncias paramagnéticas)  ligeiramente maior que 1 
 r (substâncias ferromagnéticas)  muito maior que 1 
 
 Outros tipos de materiais são o antiferromagnético, ferromagnético e 
superparamagnético. Um exemplo de material antiferromagnético é o óxido de ferro. A 
ferrita macia é um material ferromagnético e a fita magnética é um material 
superparamagnético. 
 
1.6. MAGNETIZAÇÃO E CURVA DE HISTERESE 
 
 Se uma peça (por exemplo cilíndrico) for colocada dentro de uma bobina (fio 
enrolado com várias voltas ou espiras), e circular por esta bobina uma corrente elétrica I, 
um campo magnético H será gerado no interior desta bobina, e a peça irá sofrer uma 
indução magnética B. 
 
 Se o material do qual foi obtido a peça for diamagnética ou paramagnética pouca 
linha de fluxo magnética serão induzidas e a relação BxH será mais ou menos linear. Se o 
8