Máquinas Rotativas Conceitos Básicos-2020 2

04/10/2020 1 Conversão Eletromecânica de Energia Máquinas Rotativas – Conceitos Básicos • Conceitos Gerais Introdução Máquinas Elétricas Energia mecânica Energia elétrica Energia mecânica (rotação) Energia elétrica Geradores e motores são os transdutores de energia, isto é, convertem uma forma de energia em outra. Força motriz: •Motor diesel •Fluxo de água •Fluxo de vapor Tensão da rede: •Monofásica •Trifásica 04/10/2020 2 • Conceitos Gerais • Partes Construtivas: • Estator • Parte Fixa • Rotor (Máquinas rotativas) • Parte Móvel Introdução Máquinas Elétricas • Conceitos Gerais • Partes Construtivas: Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 3 • Conceitos Gerais Introdução Máquinas Elétricas Excitação Paralela • Conceitos Gerais • Numa máquina elétrica (gerador ou motor) existe uma variação do fluxo magnético no tempo (gerando uma tensão induzida): • Seja movendo os enrolamentos mecanicamente dentro de um campo magnético; • Seja um campo magnético deslocando através dos enrolamentos • Seja uma máquina construída de tal forma que a relutância varie com o deslocamento do rotor: Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 4 • Conceitos Gerais • Partes Construtivas: • Estator • Parte Fixa • Rotor (Máquinas rotativas) • Parte Móvel Introdução Máquinas Elétricas • Conceitos Gerais • Partes Construtivas: • Enrolamento de Armadura • Normalmente, refere-se ao enrolamento onde passa uma corrente CA; • Na maioria das máquinas, esse enrolamento fica localizado no estator; • Enrolamento de Campo • O estator e rotor são feitos de materiais com alta permeabilidade magnética (chapas). • Maximiza o acoplamento das bobinas; • Aumenta a densidade de campo; • Define caminhos magnéticos. Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 5 • Máquinas CA: Síncrona Introdução Máquinas Elétricas Introdução Máquinas Elétricas • Principais partes construtivas – Estator (parte fixa) – Rotor (parte móvel) – Enrolamento de campo • Em geral no rotor; • Circula corrente contínua • Utiliza anéis coletores e escovas de carvão – Enrolamento de armadura • Em geral no estator; • Condutores de um lado da bobina paralelos ao eixo ligados em série; • Circula corrente alternada. 04/10/2020 6 • Máquinas Síncronas • Anéis coletores e escovas Introdução Máquinas Elétricas Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 7 Introdução Máquinas Elétricas • Densidade de fluxo no entreferro: A frequência em ciclos por segundo é igual a velocidade do rotor em rotações por segundo; A frequência elétrica está sincronizada com a velocidade mecânica elétr. P n f . 2 60 = mec. n 60f = Introdução Máquinas Elétricas • Máquina com mais de um pólo: 04/10/2020 8 Introdução Máquinas Elétricas • Máquinas Síncronas: Introdução Máquinas Elétricas • Máquinas Síncronas: 04/10/2020 9 Introdução Máquinas Elétricas • Máquinas Síncronas: – Máquinas Trifásicas: – O número mínimo de conjunto de bobinas é dado pela metade do número de pólos (em uma máquina de múltiplos pólos). Introdução Máquinas Elétricas • Quando circula corrente no enrolamento de armadura, é estabelecido um fluxo no entreferro que gira na velocidade síncrona; • Esse fluxo interage com o fluxo produzido pelo enrolamento de campo originando um conjugado eletromagnético – Os campos tendem a se alinhar – Gerador: o conjugado eletromagnético se opõe a rotação e a máquina primária deve aplicar um conjugado mecânico para sustentar a rotação (Emecânica  Eelétrica); – Motor: o conjugado eletromagnético atua no sentido da rotação e equilibra o conjugado de carga. 04/10/2020 10 Introdução Máquinas Elétricas – Gerador: o campo faz o trabalho e o seu fluxo arrasta o produzido pela armadura (que vem atrás); – Motor: o conjugado eletromecânico tem o mesmo sentido da rotação (contrabalanceando o da carga). O fluxo produzido pelas correntes de armadura gira a frente do produzido pelo campo, arrastando-o e realizando o trabalho. • Máquinas de Corrente Contínua Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 11 Introdução Máquinas Elétricas • Principais partes construtivas – Estator • Carcaça • Pólos de Excitação (onde ficam os enrolamentos de campo) • Conjunto Porta Escovas e Escovas – Rotor • Rotor com enrolamento de armadura • Comutador • Eixo Introdução Máquinas Elétricas • Principais partes construtivas – Estator • Carcaça: É a estrutura suporte do conjunto. Que acomoda e protege a parte ativa do motor. – Núcleo do estator • Pólos de Excitação: Têm a finalidade de gerar o fluxo magnético. São constituídos de condutores enrolados sobre núcleos de chapas de aço laminadas cujas extremidades possuem um formato que se ajusta a armadura e são chamadas de sapatas polares. 04/10/2020 12 Introdução Máquinas Elétricas • Principais partes construtivas – Estator • Conjunto Escova e Porta Escova: O porta escovas permite alojar as escovas e está montado de tal modo que possa ser girado para o ajuste da zona neutra. As escovas são compostas de material condutor e deslizam sobre o comutador quando este gira, pressionadas por uma mola, proporcionando a ligação elétrica entre a armadura e o exterior. Introdução Máquinas Elétricas • Principais partes construtivas – Rotor • Rotor com enrolamento: Centrado no interior da carcaça, é constituído por um pacote de chapas de aço silício laminadas, com ranhuras axiais na periferia para acomodar o enrolamento da armadura. Este enrolamento está em contato elétrico com as lâminas do comutador. • Comutador: É o conversor mecânico que transfere a energia ao enrolamento do rotor. O comutador é constituído de lâminas de cobre isoladas uma das outras por meio de lâminas de mica. • Eixo: É o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. 04/10/2020 13 • Máquinas de Corrente Contínua • Máquina CC Elementar: Observe que uma corrente CC circula • por meio das escovas. • • O comutador liga sempre a escova x ao pólo • norte • (considerando senoidal) Introdução Máquinas Elétricas • Máquinas de Corrente Contínua • Máquina CC Elementar: • Distribuição do fluxo no entreferro • Considerando que o rotor gira a uma velocidade constante; • A tensão induzida nos enrolamentos da armadura possui a mesma forma de onda do fluxo. Introdução Máquinas Elétricas 04/10/2020 14 • Máquinas de Corrente Contínua • Máquina CC Elementar: • O comutador garante a retificação / • da retificação / inversão da corrente no rotor. • • • Distribuição do fluxo no entreferro • Considerando que o rotor gira a uma velocidade constante; • A tensão induzida nos enrolamentos da armadura possui a mesma forma de onda do fluxo. Introdução Máquinas Elétricas Introdução Máquinas Elétricas • Quando uma corrente circula pela a armadura, uma distribuição de fluxo magnético fixa de armadura é estabelecido; • É a interação das duas distribuição de fluxo magnético que gera o conjugado da máquina: – Gerador: o conjugado se opões a rotação – Motor: o conjugado atua no sentido da rotação 04/10/2020 15 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução – Máquina CA • Estator é alimentado com corrente alternada – Rotor • Circulam correntes alternadas Eixo Parte ativa: Rotor Aletas Parte ativa: Estator Terminais Ventilador Carcaça 04/10/2020 16 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Estator: - Porta o pacote de chapas de aço-silício (eletricamente isolados) e ranhuras onde serão colocados os enrolamentos de armadura; - Carcaça: - Também é feita de aço laminado; - São fixas para o apoio dos pés, tampas, rolamentos e caixa de terminais; Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Rotor: - Cilindro de chapa de aço onde os enrolamentos são fundidos ou enrolados paralelamente (ou aproximadamente paralelo) em ranhuras ou orifícios existentes no núcleo do rotor; - Condutores: - Não precisam ser isolados, pois as correntes induzidas no rotor seguem o caminho de menor resistência; 04/10/2020 17 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Quanto a construção, o rotor pode ser do tipo: - Bobinado; - Gaiola de Esquilo - Bobinado: - Rotor ranhurado onde as ranhuras são semi fechadas; - Recebem o enrolamento rotórico em condutores cilíndrico ou barras; - As entradas dos enrolamentos são levadas a anéis deslizantes de escovas e colocadas no eixo do motor; - Por meio de escovas de grafite (estacionárias) pode-se efetuar as ligações com resistores externos Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Quanto a construção, o rotor pode ser do tipo: - Bobinado; 04/10/2020 18 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Rotor em Gaiola: - Maioria dos motores de indução (mais barato); - Barras longitudinais paralelas ao eixo de movimento e fechadas nas extremidades por anéis (anéis de curto circuito) ; - Rotor laminado de aço silício com ranhuras fechadas; - O Alumínio é injetado no estado, a quente, nas ranhuras do pacote do rotor formando barras condutoras*; Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução – Como no motor síncrono, o fluxo de armadura do estator adianta-se em relação ao rotor e produz um conjugado eletromecânico; – Na máquina de indução, o rotor gira a uma velocidade diferente da velocidade do campo (exceto à vazio), sendo o “escorregamento” correspondente à diferença de velocidades; – Os motores de indução operam em velocidades inferiores a velocidade síncrona. 04/10/2020 19 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Monofásico • Campo magnético Pulsante: - O estator da máquina recebe energia (da rede) gera um campo magnético que atravessa o entreferro; - No caso do MI monofásico, o campo magnético estabelecido pela corrente é pulsante; - Como a corrente também é uma função da família senoidal, temos: - Obs: No momento, não foi abordado ainda o conceito de Fmm em enrolamentos distribuídos. Função Temporal e Espacial 04/10/2020 20 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Monofásico • Campo magnético Pulsante: - Um observador fixo em um determinado ângulo vê a variação de uma tensão ao longo do tempo (ou seja, uma tensão pulsada) - É dito que o campo magnético gerado por um motor de indução monofásico é Pulsante. - A equação anterior pode ser decomposta em dois termos utilizando as relações trigonométricas: - Observa-se que o campo pulsante é formado por duas ondas girantes que se deslocam em sentido oposto. Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Monofásico • Campo magnético Pulsante: 04/10/2020 21 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Trifásico • Campo magnético girante:  Considere que uma fonte de tensão alternada 3φφφφ e balanceada seja aplicada nos enrolamentos do estator da máquina .  Correntes senoidas circulam por esses enrolamentos .  Surge no entreferro da máquina um campo magnético girante de: a) amplitude constante b) velocidade constante. Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Trifásico • Campo magnético girante: 04/10/2020 22 Introdução Máquinas Elétricas • Princípio de Funcionamento • Campo magnético girante: Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Trifásico - Em um motor trifásico temos a presença de 3 tensões alternadas que são aplicadas ao estator da máquina; - Logo, serão produzidas três correntes alternadas defasadas também de 120o. - Para cada fase temos: - O campo magnético resultante é igual a soma das três contribuições anteriores: 04/10/2020 23 Introdução Máquinas Elétricas • Motor de Indução - Trifásico - Assumindo que: - O campo magnético resultante é igual: Introdução Máquinas Elétricas Em regime, o rotor gira com uma velocidade Nr, a qual é menor que a velocidade síncrona Ns do campo girante no entreferro da máquina. Se Ns=Nr não haverá tensão induzida no rotor e consequentemente não haverá torque. O escorregamento “s” é definido como: ( ) s r s N N N s − = • Motor de Indução - Escorregamento Ns-Nr é conhecida como velocidade de escorregamento