Motores síncronos e assincronos, Resumos de Máquinas Elétricas

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FACULDADE DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Ageu Wapondjamba Capumu Dala

MÁQUINAS ELÉCTRICAS:

MOTORES DE INDUÇÃO E SÍNCRONOS

MOÇÂMEDES, 2022

UNIVERSIDADE DO NAMIBE

FACULDADE DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Ageu Wapondjamba Capumu Dala

MÁQUINAS ELÉCTRICAS:

MOTORES DE INDUÇÃO E SÍNCRONOS

Ante-Projecto apresentado a Faculdade de Engenharia e

Tecnologia do Namibe – F.E.T, como

requisito para a cadeira de

Conversão Eletromecânica.

Orientador: Prof. Pedro Rodriguez Lourenço Pinheiro

Moçâmedes,

Dedicatória

Dedico este trabalho ao meu Irmão Angelino Sangongo João por todo apoio no meu percurso

acadêmico.

Resumo

Este trabalho dedica-se a explicar os princípios de funcionamento das máquinas síncronas,

trazendo seus aspectos físicos, conceitos teóricos e usabilidade. Os Motores síncronos podem

operar como geradores, convertendo energia mecânica em elétrica, e também como um motor,

convertendo energia elétrica em mecânica. Por razões construtivas e pelo elevado custo em

relação aos motores de indução, os motores síncronos são mais utilizadas como geradores.

Características como o fator de potência regulável e a velocidade síncrona (gerada através da

interação magnética entre rotor e estator) serão debatidas no decorrer do trabalho, além das

vantagens e desvantagens dessa máquina em cada processo.

Palavras-chave: Motores Síncronos; Motores de indução; Velocidade Síncrona; Rotor;

Estator.

Índice

• Introdução
• JUSTIFICATIVA
• Problema Ciêntífico
• Situação Problemática
• Objetivo geral
• Objectivos específicos
• Máquinas Eléctricas..................................................................................................................
• Componentes das Máquinas Elétricas
• Geradores Elétricos
  • Como funciona o Gerador Elétrico
  • Tipos de Geradores Elétricos
• Motores Elétricos
• Motores de Corrente Contínua
• MÁQUINAS DECORRENTE ALTERNADA
• MOTOR DE INDUÇÃO
• Constituição dos Motores Assincronos (Indunção)
• Motores Síncronos
• Velocidade Síncrona
• Rotor
• Rotor de polos Salientes
• Rotor de polos Lisos
• Estator
• SISTEMA DE EXCITAÇÃO
• Excitação por escovas...............................................................................................................
• Excitação sem escovas (Brushless)
• Conclusão
• Bibliografia................................................................................................................................

Introdução

A utilização de máquinas elétricas possibilitou um grande avanço na produção, com grande melhoria nos processos de fabricação de diversos produtos, reduzindo o tempo de fabricação e permitiram o desenvolvimento de um grande número de utilidades domésticas, que seriam os bens de consumo duráveis que, juntamente com o automóvel, constituem grandes símbolos da sociedade atual. As máquinas elétricas são dispositivos ou equipamentos que realizam conversão eletromecânica de energia. Dependendo de sua aplicação,uma determinada máquina só pode funcionar como gerador, como nas usinas geradoras, ou só como motor, conforme utilizado nas aplicações motrizes usuais. Este trabalho tem como foco primordial o estudo as máquinas eléctricas rotativas em Corrente Alternada, nomeadamente os motores de Indução e Síncronos. Os motores elétricos têm aplicações em grandes indústrias de transformação, tapetes rolantes, automóveis, etc.

(Motta, 2010). A origem das máquinas elétricas e os princípios de seu funcionamento baseiam-se em leis do eletromagnetismo. O conhecimento da eletricidade começou por volta de 641 A.C com o grego Tales de Mileto que, ao esfregar um pedaço de resina fóssil em um pano, aresina parecia atrair pequenos corpos, como fios de cabelo, descobrindo, assim, que corpos quando atritados podem adquirir certas propriedades capazes de atrair ou repelir corpos.

(Motta, 2010), depois de 1831, muitas máquinas elétricas (motores e geradores) foram criadas

• por cientistas como Antoine-Hypolliti Pixii, Marcel Deprèz e Jakob Einstein, mas todas ainda estavam em fase experimental. Só em 1869 o inventor e mecânico belga Zénobe Gramme construiu o primeiro protótipo de gerador de corrente contínua, que permitiu o seu uso como um motor elétrico. Após aperfeiçoamentos, o equipamento passou a ser explorado comercialmente em 1878. Foi a primeira vez que uma máquina geradora de luz elétrica ganhou escala comercial. “Já em 1889, o croata-americano Nikola Tesla criou o seu primeiro motor de indução. Este acontecimento foi determinante na divulgação da utilização da corrente alternada, permitindo a distribuição da energia por longas distâncias”, completa. Pouco tempo depois a corrente alternada passou a ser usada na distribuição de energia elétrica, pois permite o transporte eficiente através de distâncias mais longas que a corrente contínua.

JUSTIFICATIVA

Qualquer Engenheiro ou Estudante de Engenharia Eléctrica deve ser capaz de conhecer os fenómenos de conversão de energias, o conhecimento de máquinas eléctrias é um requisito indispensável para um Engenheiro Eléctrico ou Electricista, porque permite resolver problemas diversos.

Problema Ciêntífico

De que modo o conhecimeto de máquinas eléctricas vai garantir habilidades práticas e teórica para um estudante de engenharia eléctrica?

Máquinas Eléctricas

As máquinas elétricas são equipamentos cujo seu funcionamento baseia-se no fenómeno da indução electromagnética. Com um e único denominador comum, as maquinas eléctricas, trabalham na base da transformação da energia em uma outra forma de energia. Fenômenos das máquinas eléctricas são estudados e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo:

• Lei da indução eletromagnética, Lenz-Faraday;
• Lei do circuito elétrico, lei de Kirchhoff;
• Lei circuital do campo magnético, lei de Ampère;
• Lei da força atuante sobre condutor situado em um campo magnético, lei de Biot-Savart.

(Costa, 2012).Uma das teorias pioneiras da criação e uso das máquinas de corrente alternada foi proposta em 1881 por Joubert, levando em consideração que ,em um circuito elétrico, como o induzido de um alternador com carga, percorrendo uma corrente alternada,ocorre um fenômeno de autoindução, onde há uma tendência a manter constante o fluxo magnético que envolve todo o circuito. O termo conhecido como fluxo magnético de uma máquina,que respeita a autoindução de corrente da presença da corrente elétrica no circuito era, até então, desprezado, pois o valor do fluxo no indutor tinha um valor muito alto, comparado com a ação da passagem da corrente no circuito induzido.Ascargas elétricas do alternador eram essencialmente resistivas, como nas lâmpadas incandescente,pois,ainda (repetição de expressão),as máquinas elétricas eram de corrente contínua, quase em sua totalidade. (Costa, 2012).Alessandro Volta, físico italiano, pode ser consideradopor alguns como o desenvolvedor do primeiro gerador, pois,por meio de estudos, no início do século XIX,observou os efeitos da contração muscular de patas de pequenas rãs, quando submetidas a pequenas descargas elétricas.Volta observou que quando dois discos de metais distintos, como o cobre e o zinco, estavam separados por um disco, de um determinado material considerado isolante, como pano ou papelão, banhado em água salobra, aparecia uma diferença depotencial entre os discos de cobre zinco.

(Guedes, 1996). Com o sucesso do seu experimento, Volta conseguiu transformar energia química em elétrica e também percebeu que para aumentar esta diferença de potencial era preciso colocar os discos dos metais e papelão acumulados um sobre o outro. A propriedade dos geradores, de produzir quantidades contínuas de carga elétrica, levou à formulação de um novo conceito e uma nova grandeza física capaz de definir essa propriedade: a força eletromotriz. Este nome foi adotado numa época em que não estava muito clara a distinção entre energia e força.

Em 1831, o inglês Michael Faraday inventou um equipamento que convertia energia

mecânica em elétrica, o chamado dínamo. Este dispositivo era composto por um disco de

cobre que girava no campo magnético formado pelos pólos de um íman com formato de

ferradura, produzindo uma corrente elétrica contínua. Antes de Faraday, a única fonte de

energia elétrica conhecida eram as pilhas e baterias, que transformam a energia química em

eletricidade. No entanto, uma vez que a energia mecânica é a que possui maior potencial

elétrico, considera-se que o dínamo foi o precursor dos geradores elétricos como os

conhecemos atualmente.

Segundo (Seixas & C.Fernandes, 2012). O princípio dessa descoberta de Faraday foi de fundamental importância para o desenvolvimento e aplicabilidade da energia elétrica, pois,ainda hoje,é utilizado em algumas poucas aplicações. Essa descoberta foi a primeira etapa para o surgimento dos geradores, que ao longo dos tempos vêm sendo melhorados e ampliados, incorporando descobertas tecnológicas que permitiram com que o gerador de energia se transformasse em uma excelente e confiável fonte de energia.

Segundo (Seixas & C.Fernandes, 2012).O tipo mais comum de gerador elétrico, o dínamo (gerador de corrente contínua) de uma bicicleta, depende da indução eletromagnética para converter energia mecânica em energia elétrica. A lei básica deindução eletromagnética é baseada na Lei de Faraday de indução combinada com a Lei de Ampère. O dínamo funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do eixo do mesmo modo que faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por um imã permanente, queatravessa um conjunto de enrolamentos,varie no tempo, o que pela le ida indução de Faraday leva a indução de tensões nos terminais dos mesmos.

Componentes das Máquinas Elétricas

As máquinas elétricas são conversores eletromecânicos de energia e são, basicamente, divididos em dois tipos:

Máquinas Eléctricas Rotativas - São máquinas que convertem a energia elétrica aplicada aos seus terminais para energia mecânica, gerando um movimento de rotação. Elas podem ser:

Como funciona o Gerador Elétrico

Antes de mais, convém mencionar que o gerador elétrico não fornece elétrões ao circuito. O que ele faz é fornecer energia elétrica aos elétrões que já lá estão. Dito isto, convém saber que o princípio de funcionamento mais comum dos geradores elétricos é a indução eletromagnética. Nesse caso, um conjunto de espiras condutoras são colocadas próximos a imans. Assim, sempre que houver a rotação desse conjunto, haverá a indução de uma corrente elétrica dentro do circuito. Mas há também outras formas de os geradores funcionarem: quando as reações químicas que ocorrem dentro das baterias aumentam a tensão elétrica entre os terminais. Ou, ainda, quando as placas solares fotovoltaicas transformam a energia solar em elétrica. Isto quer dizer que o funcionamento do gerador elétrico dependerá sempre da energia convertida em eletricidade.

Fonte: (WEG, DT-5 Característica e especificações de geradores, 2017)

Figura 1: Gerador elétrico

Tipos de Geradores Elétricos

Existem diversos tipos de geradores elétricos, que variam conforme a energia que é utilizada para produzir a energia elétrica, sendo alguns deles:

 Gerador químico : utiliza a energia química e converte-a em elétrica. Um exemplo são as pilhas.  Gerador térmico : utiliza a energia térmica e converte-a em elétrica. Um exemplo são as turbinas a vapor.  Gerador mecânico : utiliza a energia mecânica e converte-a em elétrica. Um exemplo são os alternadores de carro.  Gerador solar : utiliza a energia solar e converte-a em elétrica. Um exemplo são as placas solares fotovoltaicas.  Gerador eólico : utiliza a energia eólica e converte-a em elétrica. Um exemplo são os aerogeradores.

Motores de Corrente Contínua

(Mussoi, 2013). A principal característica dos motores de corrent e contínua é a facilidade de controle da velocidade e o desenvolvimento de torque de partida elevado. Os motores de corrente cont ínua não se diferenciam em sua construção de gerador es de corrent e contínua. Toda máquina de corrent e contínua pode ser utilizada como motor ou gerador. Um gerador que com seus valores nominais for utilizado como motor , apresentará uma frequência de rotação cerca de 20% menor.

De forma geral os motores elétricos de Corrente Contínua são classificados em:

 Mot or Paralelo (Shunt ): O enr olament o de campo e o de ar madur a são conect ados em par alelo. O campo magnét ico apr esent a-se independent e dacor r ent e de car ga e da r ot ação do induzido, par a qualquer car ga. São empr egados quando as car act er íst icas de par t ida (t or que, t empo de aceler ação) não são muit o sever as. O conj ugado é pr opor cional à cor r ent eabsor vida e a velocidade de oper ação dever á mant er -se apr oximadament econst ant e. São usados no acionament o de t ur bo-bombas, vent ilador es, est eir ast r anspor t ador as, et c.

 Mot or Série: O enr olament o magnét ico e o induzido est ão ligados em sér ie.Neles a velocidade var ia com a car ga e o conj ugado de par t ida é muit o gr ande.O mot or sér ie gir a lent ament e em gr andes car gas e r apidament e em pequenas.Em vazio, o mot or pode dispar ar e, por t ant o, não deve acionar car gas at avés decor r eias. Por ist o são muit o empr egados em t r ação elét r ica, em guindast es,pont es r olant es, compr essor es, et c. Não podem par t ir a vazio.

 Mot or Compost o (Compound): r eúnem as car act er íst icas dos dois t ipos ant er ior es. Por t ant o, a cor r ent e de par t ida é elevada e velocidade de oper açãoapr oximadament e const ant e. Usados em bombas, et c.

 Mot or de Í mã Permanent e : o campo magnét ico é pr oduzido por um ímã per manent e na car caça e dispõem de apenas dois t er minais par a levar a

cor r ent e ao induzido (ar madur a) at r avés do comut ador. Em f unção do uso deímãs per manent es são f abr icados apenas par a pequenas potências.

A Lei básica do motor elétrico explica o seu modo operativo, ou seja, um condutor móvel conduzindo corrente move-se em um campo magnét ico por que 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 :

Onde: F – f or ça magnét ica (N) B – densidade do campo magnét ico (T) I – int ensidade da cor r ent e elét r ica (A) l – compr iment o út il do condut or imer so no campo magnét ico (m)

(Mussoi, 2013). O sentido da força é dada pela Regra de Flemming. Devido à Lei de Lenz, no enr olament o do induzido em moviment o de rotação é induzida uma t ensão primária, também chamada de Força Contra Eletromot riz. Se o induzido do mot or at r avessado por corrente se mover circularmente, os seus fios cortam as linhas de campo magnético.No enrolament o do rotor é induzida uma tensão primária denominada. De acordo com a Lei de Lenz, é oposta à tensão aplicada em seus terminais. é igual a zero como rotor em repouso e, portanto, no momento da partida; os fios do induzido não cortam nenhuma linha de campo. aument a com o aument o da velocidade. Porém, nunca poder á assumir o valor da tensão aplicada, porque, neste caso e , e não haver ia tensão que forçasse uma corrent e pela resistência do induzido.

é sempre menor que o valor da queda de tensão no rotor, que a tensão aplicada entre pólos.

A diferença de potencial ent r e a tensão aplicada V e a t ensão induzida é que força uma corrent e pela resistência do induzido. diminui se a carga do motor aumenta. O motor em carga maior reduzir á sua rotação, pois deve desenvolver um maior conjugado. Menor velocidade significa, porém, que os condutores do induzido interceptam um menor númer o de linhas de campo no mesmo espaço de tempo. Consequentement e, diminuirá e, com isto, uma maior corrente pode atravessar o rotor , o que equivale a uma nova carga no motor. Inversamente, ao ser diminuída a carga aumenta e a corrent e cai. De certa forma a tensão primária é um regulador do motor de corrent e contínua.

Um mot or de cor r ent e cont ínua, em ger al, não pode ser ligado à r ede dir et ament e, pois a r esist ência do induzido é r eduzida e, no moment o da par t ida, não haver á ainda t ensão pr imár ia (força contra-eletromotriz). O alto valor da corrente que aparece no momento da

MÁQUINAS DECORRENTE ALTERNADA

As máquinas de corrente alternada (CA) classificam-se em duas categorias básicas: máquinas síncronas e máquinas de indução ou assíncronas. Nas máquinas síncronasas correntes do enrolamento do rotor são fornecidas através de contactos rotativos fixados diretamente na parte estacionária da máquina. Nas de indução,as correntes são induzidas nos enrolamentos do rotor por meio da combinação da variação no tempo, de correntes no estator e do movimento do rotor em relação ao estator. Motores de Corrente Alternada

classificados em:

• Motores Síncronos;
• Motores Assíncronos (indução). Motores Especiais
• Servomotores;
• Motores de Passo;
• Universais.

MOTOR DE INDUÇÃO

(Chapman, 2013) .O funcionamento dos motores de indução é basicamente o mesmo do dos enrolamentos amortecedores dos motores síncronos. Agora, faremos uma revisão de seu funcionamento básico e definiremos alguns termos importantes relativos ao motor de indução.

Fonte: WEG

Figura 2: Vista em corte de um motor de indução

Constituição dos Motores Assincronos (Indunção) Basicamente os motores assíncronos se subdividem em dois tipos principais, os quais são:

• Rotor Bobinado:

Possui a mesma característica construtiva do motor de indução com relação ao estator, mas o seu rotor é bobinado com um enrolamento trifásico, acessível através de três anéis com escovas coletoras no eixo.

Fonte: weg.com.br

Figura 3: Rotor Bobinado

• Rotor Gaiola:

O rotor não é alimentado externamente e as correntes que circulam nele, são induzidas eletromagneticamente pelo estator, dai o seu nome de motor de indução. O que caracteriza o motor de indução é que só o estator é ligado à rede de alimentação.

Fonte: paginas.fe.up.pt

Figura 4: Rotor Gaiola