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ELETRICIDADE E INSTALAÇÕES - Maquinas eletricas
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ELETRICIDADE E INSTALAÇÕES Prof. Fernando Luiz Rosa Mussoi
Máquinas Elétricas são conversores eletromecânicos de energia e são, basicamente, divididos em quatro tipos: 1. Motores Elétricos: fazem a conversão de energia elétrica aplicada aos terminais para energia mecânica, disponibilizada no eixo. 2. Geradores Elétricos: fazem a conversão de energia mecânica aplicada ao eixo para energia elétrica, disponibilizada nos terminais. 3. Transformadores Elétricos: fazem a conversão eletromagnética de energia elétrica com a função de adaptar tensões (elevação ou abaixamento) além de, em certos tipos, fazer o isolamento galvânico (elétrico) entre primário e secundário. 4. Outros: conversores eletromecânicos de freqüência, compensadores síncronos, etc.
Um motor elétrico é constituído essencialmente de duas partes: 1. Estator: composto de todo o conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina. O Estator é composto, basicamente, por: a. Carcaça: serve de suporte ao rotor, aos pólos magnéticos e como caminho de fechamento para o campo magnético; b. Enrolamento de Campo: são as bobinas que geram um campo eletromagnético intenso nos pólos do motor. Motores de ímã permanente não possuem enrolamentos de campo; c. Pólos ou Sapatas Polares: distribuem o fluxo magnético produzido pelas bobinas de campo ou pelo ímãs permanentes. d. Escovas: são barras de carvão e grafite que fazem o contato elétrico permanente com o comutador ou os anéis coletores do rotor.
2. Rotor: composto de todo o conjunto de elementos fixados em torno do eixo, internamente ao estator. O Rotor é composto, basicamente, por: a. Eixo da Armadura: é responsável pela transmissão da energia mecânica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator por meio de rolamentos e mancais. b. Núcleo da Armadura: é composto por lâminas de material ferromagnético especial (Ferro-Silício), isoladas umas das outras, com ranhuras axiais na sua superfície para acomodar os enrolamentos da armadura.
c. Enrolamentos da Armadura: são bobinas isoladas entre si e eletricamente ligadas ao comutador ou aos anéis coletores. d. Anéis Coletores: consiste de um anel de cobre eletricamente conectado às bobinas do enrolamento da armadura. Tem a função de conectar eletricamente o rotor com o estator do motor. e. Comutador: consiste de um anel com segmentos de cobre isolados entre si e eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura. Tem a função de conectar eletricamente o rotor com o estator do motor e fazer um chaveamento adequado das bobinas do enrolamento da armadura.
As máquinas elétricas possuem praticamente os mesmos elementos principais, porém com diferenças construtivas importantes entre elas. Às vezes a bobina de armadura está no estator e não no rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de campo. Outras não possuem escovas e comutadores, outras não possuem bobina de armadura, etc. Porém, os nomes dados aos componentes das máquinas são gerais e valem para a maioria delas.
Classificação dos Motores Elétricos:
Motor Série Motor Paralelo (Shunt)
Motor Composto ou Misto (Compound) Motores de Corrente Contínua
Motor de Ímã Permanente Motores Assíncronos (de Indução) Gaiola
Motores Assíncronos de Rotor BobinadoMotores de Corrente Alternada Monofásicos
Motores Síncronos Motores Assíncronos (de Indução) Gaiola
Motores Assíncronos de Rotor BobinadoMotores de Corrente Alternada Trifásicos
Motores Síncronos Motores Universais
Motores de PassoMotores Especiais Servomotores
Principais Dados de Placa
Toda máquina elétrica apresenta suas principais características elétricas (valores nominais) escritas sobre a mesma ou em uma placa de identificação. Os principais Dados de Placa de uma máquina elétrica são: 1. Tipo de Motor 2. Tensão Nominal (V) 3. Corrente Nominal (A) 4. Freqüência Nominal (Hz) 5. Potência Mecânica Nominal (CV ou HP)
6. Velocidade Nominal (RPM) 7. Número de Fases 8. Esquemas de Ligações 9. Grau de Proteção (Classe de Isolamento): dado por normas 10. Temperatura Máxima de Funcionamento: O (90o); A (105o); B (125o); C (175o) 1. Fator de Serviço: índice de sobrecarga admissível em regime não permanente. 12. Regime de Trabalho: contínuo ou não-permanente 13. Letra Código: em função da relação kVA/CV, dado em tabelas. 14. Fabricante 15. Modelo e Número de Série
Os Motores de Corrente Contínua têm seu princípio de funcionamento baseado nos geradores elétricos. Portanto, para estudá-los, deveremos entender o funcionamento e os princípios construtivos dos geradores elétricos. A indução eletromagnética é a base do funcionamento dos geradores elétricos. Cada gerador produz, por natureza, uma corrente alternada. Ao girar-se uma espira condutora (ou bobina) imersa em um campo magnético, aparece em seus terminais, uma tensão e corrente alternadas e senoidais com freqüência dependente da velocidade de giro.
Os dois lados da bobina s1 e s2 geram tensões opostas que, estando em série, se somam. A tensão resultante é captada através dos anéis coletores e das escovas A e
Geração de uma corrente alternada
Com anéis coletores bipartidos pode-se retirar uma tensão contínua. Para tanto, é necessário um anel deslizante separado em duas metades isoladas entre si. Liga-se o condutor s1 com a metade I e a metade I com s2. As escovas deslizantes são colocadas sobre o anel coletor bipartido na zona neutra e de tal maneira que A está no canto direito de I e B no canto esquerdo de I. Portanto, as escovas devem assumir uma determinada posição em relação às metades do anel coletor. Se começarmos a girar o laço do condutor, em A está a corrente induzida pelo pólo norte e em B a tensão induzida pelo pólo sul. Aparecerá a tensão senoidal composta por a e b. O condutor s1, com o semicilindro I, passará em seguida para debaixo da escova B e o condutor s2 debaixo da escova A. Continuando a rotação, a tensão que s2 gera diante do pólo norte é colocada na escova A e a gerada por s1 diante do pólo sul, na escova B. O semiperíodo senoidal induzido pelo condutor s2, diante do pólo norte, e de s1 diante do pólo sul, é idêntico ao gerado por s1 diante do pólo norte e de s2 diante do pólo sul. Em uma volta, portanto, a tensão gerada é composta por dois semiperíodos senoidais iguais. Enquanto no laço condutor uma tensão alternada é gerada por intermédio do anel coletor bipartido, também chamado de inversor de corrente, comutador ou coletor, uma corrente contínua pode ser retirada das escovas A e B.
Anel Coletor Bipartido obtém uma corrente contínua
A tensão gerada por uma única espira praticamente não é utilizável. A tensão fortemente ondulada é imprestável para fins de iluminação. Por isso, todo o perímetro do rotor é preenchido com espiras, e o comutador é subdividido. A tensão contínua é tanto mais lisa quanto mais laços condutores (bobinas do rotor) existirem. A tensão gerada separadamente, por duas bobinas (1 e 2), fornecem a tensão sobreposta 3, que é mais uniforme. Aumentando o número de laços para 6, por exemplo, obtém-se uma tensão sobreposta ainda mais uniforme (7). Uma tensão sem qualquer ondulação não é, mecanicamente, possível.
O campo magnético produzido pelo enrolamento magnetizante fecha-se pela carcaça e pelo rotor. A carcaça conduz o campo magnético e em sua parte externa são afixadas peças componentes da máquina de corrente contínua. É produzida em ferro fundido cinzento, aço ou com soldagens de determinadas partes. Para geração de tensão por meio de indução é necessário um campo magnético e um condutor móvel no seu interior. Em máquinas de corrente contínua os ímãs de campo são fixados dentro do estator e os condutores que cortam as linhas de campo encontram-se no rotor (induzido). Ímãs de campo são eletroímãs e são parafusados fixamente e de forma a permitir boa condução magnética com a carcaça e compõem-se de um núcleo polarizador, sapata polar e do enrolamento. O núcleo da sapata polar é fabricado de aço de alta permeabilidade magnética. A sapata é necessária para que o número de Ampère-espiras necessário para a excitação do gerador possa ser mantido pequeno. A densidade do campo de indução magnética B
no ar é consideravelmente menor que no aço. Por isso, para o entreferro da máquina, espaço entre eletroímã e o rotor, é exigido o maior número de Ampère-espiras. A fim de evitar correntes de Foucault, perdas magnéticas por corrente induzidas no ferro do núcleo, a sapata polar é composta de chapas laminadas de boa isolação entre si. Devido às ranhuras estampadas no rotor aparece uma distribuição desigual do campo magnético nos pontos de emersão da sapata; sobre os dentes do rotor o campo apresenta-se com maior densidade que acima das ranhuras. Pela rotação do rotor, cada ponto do arco inferior da sapata é atravessado, mais ou menos intensamente, pelo campo magnético, dependendo esse fato da freqüência de rotação do induzido. A agitação magnética provoca correntes de Foucault nos pontos de emersão da sapata. No núcleo e na carcaça o campo magnético apresenta-se sem agitação. Portanto é suficiente construirmos somente a sapata com laminado. Dependendo do tipo construtivo, a sapata e o pólo formam um todo e são construídos por chapas. O entreferro determina a construção dos ímãs de campo. A figura mostra que o campo magnético, saindo do pólo norte, atravessa o material ferromagnético do rotor, vai ao pólo sul e de lá, através da carcaça, retorna ao pólo norte. As únicas passagens pelo ar, no circuito magnético, são os entreferros entre rotor e pólo. Já que a relutância magnética no ar é consideravelmente mais alta que no ferro, este entreferro deve ser o mais estreito possível. O rotor é construído de chapas finas, isoladas umas das outras, apresentando ranhuras em que são introduzidos enrolamentos. Por meio de chapas de pressão e parafusos a pilha de laminado é comprimida. Se se tratasse de um rotor maciço, devido à rotação e provocado pelo campo magnético, apareceriam intensas correntes de Foucault no ferro do rotor, aquecendo-o e pondo o enrolamento em perigo.
Perturbação Magnética entre as sapatas polares e o rotor
Andamento do Campo Magnético em uma máquina de dois pólos A-rotor; B-núcleo com sapata polar; C-bobina de campo; D-carcaça
O corpo do rotor possui em seu perímetro um determinado número de ranhuras estampadas que podem ser abertas ou semicerradas. Nelas localiza-se o enrolamento do rotor, fixado através de cunhas de madeira ou outro material que o pressione e de uma bandagem que assegure proteção contra a alta força centrífuga.
Cada enrolamento de um rotor de corrente contínua é fechado em si mesmo. Todas a bobinas são ligadas uma depois da outra. Em cada bandeirola do comutador são soldados dois fios: o começo da bobina seguinte com o fim da bobina anterior.
As bobinas a, b, c do rotor são ligadas uma após a outra
Dois fios de bobina, colocados lado a lado apresentam o mesmo sentido para a corrente induzida e não formam circuitos elétricos. Os fios de ida e de volta de uma bobina estão debaixo de pólos diferentes para que os sentidos da corrente induzida sejam opostos e formem o caminho para a circulação da corrente elétrica. Numa máquina bipolar os fios de ida e volta estão deslocados de 180o e numa tetrapolar de 90o, como mostra a figura.
Na carcaça de uma máquina de corrente contínua localizam-se os enrolamentos de magnetização. São simples bobinas de fios enrolados sobre um corpo isolante, encaixados sobre o núcleo polar.
Carcaça Tetrapolar (a-núcleo; b-sapata; c-enrolamento de campo) Reação do Rotor:
A máquina de corrente contínua em carga produz um campo transversal. Sem carga, enrolamento de excitação produz um campo principal, que se distribui uniformemente pelos pólos, rotor e armação do ímã. Em carga o enrolamento do rotor produz um campo transversal no rotor. Em uma máquina de 2 pólos as linhas de campo, do campo transversal, emergem do lado esquerdo do induzido, atravessam os pólos de boa condução magnética e tornam a entrar do lado direito do rotor. Também com o rotor em movimento, o campo do rotor permanece espacialmente fixo, pois o sentido da corrente nos pólos mantém-se constante. Com isso também o campo magnético provocado pela corrente no rotor deve manter sua posição fixada. Somente sua densidade se altera com a carga. O campo principal da máquina e o campo transversal do rotor são perpendiculares entre si e são a origem do campo conjunto total. Do lado esquerdo do pólo norte o campo do rotor e o campo principal são de sentidos contrários, isto é, o campo principal é enfraquecido. No lado direito o campo do rotor e o campo principal apresentam o mesmo sentido. A intensidade do campo principal é aumentada. Diante do pólo sul ocorre o oposto. Dessa forma há uma deformação nas linhas de campo. Em um gerador, o campo magnético principal é enfraquecido nos lados dos pólos a que se chega e reforçado nos que se deixa para trás, com relação ao sentido de rotação. O inverso ocorre no motor. A reação do rotor enfraquece o campo principal e influi na posição da escovas pois desloca a zona neutra de um ângulo α no sentido da rotação nos motores e contrário nos geradores. O valor do ângulo de deslocamento depende da reação do rotor e esta da carga. Ou seja, as escovas deveriam ser deslocadas de acordo com a carga.
Conjugado (Torque ou Momento)
O Conjugado (ou Torque) é definido como a tendência do acoplamento mecânico de uma força e sua distância radial ao eixo de rotação para produzir rotação. É expresso em unidades de força e distância (N.m ou g.cm ou lb.pé.
O Conjugado não deve ser confundido com o Trabalho Mecânico. O primeiro é definido em função de uma força f atuando num corpo e causando o seu movimento através de uma distância d. O trabalho realizado é o produto da componente da força f que atua na mesma direção na qual o corpo se move (para vencer a inércia) pela distância d. Se há uma força aplicada mas não resulta movimento, não há trabalho realizado. Inversamente, uma força pode existir num corpo tendendo a produzir rotação (um conjugado, um torque) e, mesmo que o corpo não gire, o conjugado existe como produto daquela força pela distância radial ao centro do eixo de rotação.
Onde: τ - Conjugado ou Torque (N.m) F – Força (N) r – distância radial do ponto de aplicação da força ao eixo de rotação (m)
Os termos Conjugado e velocidade não podem ser usados como sinônimos. A velocidade de um motor depende do seu Conjugado, mas o contrário não é verdade pois um motor bloqueado tende a desenvolver um Conjugado apreciável, mas nenhuma velocidade.
O Conjugado disponível na polia ou eixo de um motor é um tanto menor que o
Conjugado desenvolvido, devido às perdas específicas rotacionais que requerem e consomem uma porção do torque desenvolvido durante a ação motora.
A principal característica dos motores de corrente contínua é a facilidade de controle da velocidade e o desenvolvimento de torque de partida elevado.
Os motores de corrente contínua não se diferenciam em sua construção de geradores de corrente contínua. Toda máquina de corrente contínua pode ser utilizada como motor ou gerador. Um gerador que com seus valores nominais for utilizado como motor, apresentará uma freqüência de rotação cerca de 20% menor.
A Lei básica do motor elétrico explica o seu modo operativo, ou seja, um condutor móvel conduzindo corrente move-se em um campo magnético porque este exerce uma força sobre o condutor. A força é tanto maior quanto mais denso o campo, maior o valor da corrente e maior o comprimento útil do condutor no campo. A força magnética exercida é dada por:
F – força magnética (N) B – densidade do campo magnético (T) I – intensidade da corrente elétrica (A) l – comprimento útil do condutor imerso no campo magnético (m)
O sentido da força é dada pela Regra de Flemming, conforme já estudado. Devido à Lei de Lenz (já estudada), no enrolamento do induzido em movimento de rotação é induzida uma tensão primária, também chamada de Força Contra Eletromotriz. Se o induzido do motor atravessado por corrente se mover circularmente, os seus fios cortam as linhas de campo magnético.
No enrolamento do rotor é induzida uma tensão primária denominada V0. De acordo com a Lei de Lenz, V0 é oposta à tensão aplicada em seus terminais. V0 é igual a zero com o rotor em repouso e, portanto, no momento da partida; os fios do induzido não cortam nenhuma linha de campo. V0 aumenta com o aumento da velocidade. Porém, nunca poderá assumir o valor da tensão aplicada, porque, neste caso V=V0 e V-V0 = 0, e não haveria tensão que forçasse uma corrente pela resistência do induzido Rr.
Motores principios e funcionamento .
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