Aula - Máquinas de Corrente Alternada

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EE/TEE – Eletrotécnica – 1/2012
Eletrotécnica
Prof Eric Serge Sanches
1/2012
Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Elétrica
TEE-03093
Máquinas Elétricas de Corrente Alternada
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EE/TEE – Eletrotécnica – 1/2012
Geradores de corrente alternada
Os geradores de corrente alternada também são conhecidos como alternadores
Utilizados para geração de energia elétrica:
Turbina
Hidrelétrica  energia potencial da água
Térmica  energia térmica do vapor d’água
Eólica  energia cinética do vento
Gerador
Alternador, ou gerador de corrente alternada
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Geradores de corrente alternada
Princípio de funcionamento
Condutores girando (variando posicionamento) em um meio com campo magnético constante
Fluxo magnético variável nos condutores
Tensão induzida pela lei de Faraday
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Geradores de corrente alternada
Princípio de funcionamento
Campo magnético produzido pela corrente que percorre a bobina de campo
Estator
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Geradores de corrente alternada
Princípio de funcionamento
Eixo mecânico responsável pela variação da posição dos condutores dentro do campo magnético
Rotor ou armadura
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Geradores de corrente alternada
Princípio de funcionamento
Escovas  pressionadas contra os anéis coletores para manter o contato elétrico contínuo entre o circuito do rotor e o circuito externo
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Geradores de corrente alternada
Princípio de funcionamento
Alternador com campo rotativo e armadura estacionária
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Geradores de corrente alternada
Velocidade do gerador
A frequência da força-eletromotriz induzida pelo gerador depende do número de pólos e da velocidade de operação do motor
f  frequência da tensão alternada induzida [Hz]
p  número total de pólos do motor
n  velocidade de rotação do motor [rpm]
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Geradores de corrente alternada
Regulação de tensão
Aumento percentual na tensão de saída induzida pelo gerador à medida em que a carga vai sendo reduzida a partir da corrente especificada para carga máxima até zero, mantendo-se a velocidade e a excitação constante
V0  magnitude da tensão a vazio [V]
VFULL  magnitude da tensão a carga máxima [V]
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Geradores de corrente alternada
Exemplo:
Um alternador de 4 pólos opera a uma velocidade de 1500 [rpm], com uma tensão de 120 [V] nos seus terminais. Em seguida, aplica-se uma carga ao gerador, com a tensão caindo a 110 [V] mantida a corrente de campo. Qual a frequência da tensão gerada e qual a regulação de tensão deste gerador?
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Geradores de corrente alternada
Geradores em paralelo
A maioria das usinas possui vários geradores de CA operando em paralelo para:
Aumento da potência gerada
Aumento da disponibilidade (manutenção)
Antes de dois geradores serem ligados em paralelo, é preciso que suas tensões de saída sejam iguais
Mesma magnitude
Mesma fase
Mesma frequência
Mesma expressão senoidal
Sincronismo
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Geradores de corrente alternada
Especificações
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Geradores de corrente alternada
Perdas e eficiência
Perdas no cobre
I2R no circuito de armadura
I2R no circuito de campo
Perdas mecânicas ou rotacionais
Perdas no ferro
Perdas por correntes parasitas (Foucault) no núcleo
Perdas por histerese
Perdas por atrito
Atrito no mancal (rolamento)
Atrito nas escovas
Atrito com o ar
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Geradores de corrente alternada
Exemplo:
Um motor de 2 [HP] opera com saída especificada atuando como propulsor principal de um alternador (gerador) que tem uma carga de 1,1 [kW]. Qual a eficiência percentual do alternador, desconsiderada a excitação do circuito de campo?
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Motores de corrente alternada
Motor
Conversão de energia elétrica em energia mecânica de rotação do eixo
Existem diversos tipos de motores de corrente alternada:
Motores de indução polifásicos
Motor de gaiola
Motor de rotor enrolado
Motores monofásicos
Motores comutadores
Motores de indução
Motores síncronos
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos:
Tipo de motor mais comumente utilizado
Construção simples e resistente
Boas características de operação
Motores trifásicos
Estator  parte estacionária
Conectado à rede elétrica de alimentação
Rotor  parte rotativa
Isolado eletricamente
Acoplado mecanicamente ao eixo da carga
Exemplo: bombas
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Princípio de funcionamento
Quando os enrolamentos do circuito do estator são energizados por uma fonte de corrente alternada, cria-se um campo magnético girante (variável)
A medida que o campo magnético flui pelos condutores do circuito do rotor, é induzida uma tensão (força eletromotriz – fem) entre os terminais destes condutores, gerando uma corrente
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Princípio de funcionamento
O fluxo de corrente nos enrolamentos do rotor cria um torque mecânico sobre o eixo do rotor, produzindo a energia mecânica necessária para movimentar o eixo do rotor.
O estator dos motores de indução são construídos da mesma forma
Pacote de lâminas ou folhas de aço provido de ranhuras, onde são dispostos os enrolamentos do estator para formar os três conjuntos (fases) separados de polos.
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Motor de gaiola
Rotor com um núcleo de lâminas de aço com os condutores dispostos paralelamente ao eixo e entranhados e volta do núcleo 
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Motor de gaiola
Os condutores do rotor são curto-circuitados através de anéis terminais, fechando o circuito do rotor 
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Motor de gaiola
Os condutores do rotor são curto-circuitados através de anéis terminais, fechando o circuito do rotor 
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Motor com o rotor bobinado
Rotor envolvido por um enrolamento isolado semelhante ao enrolamento do estator
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Motor com o rotor bobinado
Os enrolamentos de fase do rotor são trazidos ao exterior pelos três anéis coletores montados no eixo 
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Velocidade e escorregamento
A velocidade do campo magnético rotativo gerado é denominada velocidade síncrona do motor, dada por:
f  frequência da tensão alternada [Hz]
p  número total de pólos do motor
n  velocidade do campo magnético girante [rpm]
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Velocidade e escorregamento
Um motor de indução não pode operar à velocidade síncrona, visto que neste caso o rotor estaria estacionário em relação ao campo magnético girante , não sendo induzida nenhuma tensão nos terminais do circuito do rotor
Escorregamento  diferença entre a velocidade de rotação do motor e a velocidade síncrona
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Motores de corrente alternada
Exemplo:
Um motor de gaiola de quatro pólos e frequência de 60 [Hz] tem uma velocidade de 1754 [rpm] com carga máxima. Qual
é o escorregamento percentual com carga máxima?
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Frequência do rotor
Para qualquer valor do escorregamento, a frequência da corrente induzida no circuito do rotor é igual à frequência do estator vezes o escorregamento percentual, 
fR  frequência da corrente do rotor [Hz]
fS  frequência da corrente do estator [Hz]
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Torque do motor
O torque de um motor de indução depende da intensidade da interação entre os campos do rotor e do estator, como também das relações de fase entre eles
  Fluxo magnético girante do rotor [Wb]
IR  corrente do rotor [A]
R  fator de potência do motor
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Motores de corrente alternada
Motores de indução polifásicos
Torque do motor
Torque de ruptura  torque máximo do motor
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Motores de corrente alternada
Motores síncronos
Estator com enrolamentos que produzem um campo magnético rotativo
Circuito do rotor alimentado por uma fonte de corrente contínua
Rotor gira na mesma velocidade do campo magnético girante
Daí o nome motor síncrono
Em sincronismo
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Motores de corrente alternada
Motores síncronos
Partida
Eixo comum conectando um motor de corrente contínua e o motor síncrono
O motor CC aciona o motor síncrono até este atingir a velocidade de sincronismo
Atingida a velocidade de sincronismo, os enrolamentos do estator do motor síncrono são conectados à fonte de corrente alternada
O motor CC agora funciona como fonte de corrente contínua para o circuito do rotor
Acoplamento mecânico da carga ao eixo do motor síncrono
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Motores de corrente alternada
Motores monofásicos
Motor comutador
Motor AC em série (universal em série)
Motor de repulsão
Motor de indução
Motores de fase dividida
Motor com capacitor de partida
Motor com capacitor
Motor de indução com partida por repulsão
Motor com pólo sombreado
Motor síncrono
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