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Disciplina de:
CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
2017-2
Ademir Nied, Dr. Eng. Elétrica
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Engenharia Elétrica – DEE
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – PPGEEL
Email: ademir.nied@udesc.br
Revisão das Máquinas Elétricas Rotativas
➢Conceitos preliminares
➢Introdução às máquinas CA
➢Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos
concentrados e distribuídos
➢Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em
enrolamentos concentrados e distribuídos
➢Exercícios
2
Energia
primária
Usina
(conversão)
Transmissão e
Distribuição
Eletrônica de
Potência
Uso Final
(conversão)
Fossil
Nuclear
SolarTérmica Mecânica Elétrica Elétrica Mecânica
Elétrica
Térmica
Química
Hidro
Eólica
Solar(PV)Acionamentos Elétricos Industriais
60%
Vantagens da conversão elétrica:
• Geração com alta eficiência;
• Transporte com baixas perdas, distribuição simples e custo aceitável;
• Conversão: facilidade e flexibilidade
Conceitos preliminares
3
Conceitos preliminares
Conceitos de Energia e Potência:
Trabalho:
Energia:
• “Capacidade de realizar trabalho”
• unidades: 1 J (Joule) = 1 W.s (Watt.segundo)
• Energia elétrica:
▪ unidades: 1 kWh (quiloWatt-hora) = 3,6.106 J (Joules)
• Energia mecânica:
▪ energia cinética
▪ energia potencial
• Energia térmica:
▪ unidades: 1 cal (caloria) = 4,186 J (Joules)
▪ 1 BTU (unidade térmica inglesa) = 1,055.103 J (Joules)
)cos(..FW
Unidade: 1 J (Joule) = 1 N.m
mghE
InérciadeMomentoIwImvE
pot
cin
;;. 2
212
21
4
Potência:
• “taxa de variação do trabalho executado”;
• unidades: 1 W (Watt) = 1 J/s (Joule/segundo);
• outras unidades: 1 hp (horse-power) = 745,7 W;
• Potência elétrica:
▪ Potência ativa (P): é a taxa de variação da energia elétrica (W ou kW ou MW);
▪ Potência reativa (Q): está associada a energias armazenadas em campos elétricos
ou magnéticos. Não realiza trabalho!!!!!!! (VAr ou kVAr ou MVAr);
▪ Potência aparente (S): é o efeito combinado da circulação de potência ativa e de
potência reativa em um circuito elétrico (VA ou kVA ou MVA);
▪ Sistemas Monofásicos Sistemas Trifásicos
t
E
t
WP
sen.I.VQ
cos.I.VP
I.VS
QPS 22
senI.V.3senI.V.3Q
cosI.V.3cosI.V.3P
I.V.3I.V.3S
QPS
fasefaselinhalinha
fasefaselinhalinha
fasefaselinhalinha
22
Conceitos preliminares
5
•Princípios do Estudo dos Dispositivos de Conversão
Eletromecânica da Energia:
Teoria de Campos Teoria de Circuitos
Teoria eletromagnética Equações de circuitos elétricos
Parâmetros distribuídos Parâmetros concentrados
Distribuição espacial de campos Circuitos acoplados
•Princípios da Produção de Força (Conjugado) em Máquinas
Elétricas:Campos magnéticos Campos elétricos
Interação entre campos
Interação entre campo e material
Efeito magnetostricção Efeito piezoelétrico
3202
134
0
2
21 J/m8,39. J/m39,8.10 EW
BW elemag
Conceitos preliminares
6
• Histórico:1820: descoberta do efeito magnético da corrente elétrica (Oersted)
1831: descoberta da indução magnética por Faraday
1864: Maxwell estabelece as bases da teoria eletromagnética
1890: as principais formas de máquinas elétricas são inventadas e o
período até 1950 se caracteriza por intensa pesquisa industrial
• Estruturas atuais de máquinas elétricas:- máquinas síncronas: geração de energia elétrica
- máquinas síncronas de ímãs permanentes: servomotores
- máquinas assíncronas ou de indução: emprego amplo como motores
- máquinas c.c.: uso como motor em acionamentos de alto desempenho
- motores monofásicos a comutador: eletrodomésticos
- motores de passo: como servoacionadores
- outras estruturas especiais: lineares, relutância chaveada, etc.
Conceitos preliminares
7
Tanto geradores como motores usam a interação entre condutores em
movimento e campos magnéticos (ou vice-versa)
GERADORES convertem energia mecânica em energia elétrica
produzindo correntes em condutores que giram através de um campo
magnético
MOTORES convertem energia elétrica em energia mecânica
quando condutores que conduzem corrente são obrigados a girar por
um campo magnético
Assim, desde que haja movimento relativo entre condutor e
campo magnético há produção de eletricidade
A tensão obtida é conhecida como tensão induzida ou f.e.m.
induzida e o processo para obtê-la é chamado indução
Conceitos preliminares
8
Conceitos preliminares
)(Vdt
dNe
= permeabilidade magnética do meio
H = intensidade de campo
S = secção da bobinaHS
9
Conceitos preliminares
wtHS coscoscos
)2
cos(sensen
wtEmáxwtEmáxwtwNe
NfE 44,4 (valor eficaz)
Portanto, o valor da tensão induzida depende dos seguintes fatores:
Velocidade do condutor no campo magnético
Intensidade do campo magnético
Número de espiras
10
Conceitos preliminares
Demonstrar a geração de f.e.m a partir do movimento relativo
entre campo e condutor usando o seguinte programa:
acgera.exe
11
Revisão das Máquinas Elétricas Rotativas
➢Conceitos preliminares
➢Introdução às máquinas CA
➢Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos
concentrados e distribuídos
➢Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em
enrolamentos concentrados e distribuídos
➢Exercícios
12
Introdução às máquinas CA
Motores CA:
Monofásicos
Assíncronos ou Indução
Rotor gaiola
Fase dividida
Capacitor de partida
Capacitor permanente
Capacitor de 2 valores
Polos sombreados
Rotor bobinado
Repulsão
Síncronos
Histerese
Relutância
Trifásicos
Assíncronos ou Indução
Rotor gaiola
Rotor bobinado
Síncronos
Imãs permanentes
Polos salientes
Polos lisos
Universais
13
Motores CC:
Excitação independente
Excitação série
Excitação composta (aditiva/subtrativa)
Imã permanente
Introdução às máquinas CA
Máquinas Síncronas
As máquinas síncronas polifásicas compõe-se,
essencialmente, de um induzido com enrolamento polifásico,
distribuído em ranhuras, excitado com correntes polifásicas e
de um indutor com enrolamento que pode ser concentrado
em uma única bobina, ou também distribuído, e excitado com
corrente contínua.
14
Introdução às máquinas CA
Máquinas Síncronas
Corte esquemático de uma máquina síncrona:
a) de induzido fixo e indutor rotativo; b) de induzido rotativo.
15
Introdução às máquinas CA
Diagrama esquemático de um gerador síncrono, pólos salientes,
monofásico, dois pólos.
16
Introdução às máquinas CA
a) Distribuição espacial da densidade de fluxo;
b) Onda correspondente da tensão gerada.
17
Introdução às máquinas CA
Diagrama esquemático de um gerador síncrono, de pólos salientes,
monofásico, quatro pólos.
18
Introdução às máquinas CA
Distribuição espacial da densidade de fluxo do gerador síncrono de quatro pólos.
θ𝑎𝑒 =𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠
2θ𝑎
19
Introdução às máquinas CA
Enrolamento de campo de um gerador síncrono, de dois pólos lisos
(ou cilíndricos).
20
Introdução às máquinas CA
Diagrama esquemático de geradores trifásicos:
a) dois pólos, um enrolamento por fase;
b) quatro pólos, dois enrolamentos por fase;
c) conexão estrela dos enrolamentos.
21
Introdução às máquinas CA
Máquinas Assíncronas
A diferença fundamental entre a máquina síncrona e assíncrona
polifásica, é que esta última possui, tanto no estator quanto no
rotor, enrolamentos polifásicos excitados com correntes
polifásicas, mesmo que numa das partes essas correntes sejam
conseguidas por indução da outra parte. O caso mais comum é
o enrolamento do estator ligado a uma fonte de tensão trifásica
e o rotor excitado por indução do estator. É comum
denominarem-se as partes (estator e rotor) de primário e
secundário, por analogia com os transformadores
(transformador de rotor girante).
22
Introdução às máquinas CA
Máquinas Assíncronas
Corte esquemático de um motor assíncrono de rotor bobinado:
a) estator; b) rotor.
23
Introdução às máquinas CA
Vista interna de um motor assíncrono de rotor gaiola.
24
Introdução às máquinas CA
Curva característica da rotação (porcentagem) versus torque do
motor de indução.
25
Introdução às máquinas CA
Caracterização dos dados nominais:
• nome e/ou marca do fabricante;
• modelo atribuído pelo fabricante;
• número de série e/ou código da data de fabricação;
• denominação principal do equipamento (ex.:"motor de indução");
• número de fases;
• designação da carcaça da máquina, conforme norma utilizada;
• grau de proteção proporcionado pelo invólucro (IP-XX);
• classificação térmica (isolação);
• regime de serviço;
• potência nominal;
• tensão(ões) nominal(ais) (diagrama de ligações para máquinas de corrente
alternada);
• frequência nominal (para máquinas de corrente alternada);
• velocidade de rotação nominal;
• fator de potência nominal (para máquinas de corrente alternada);
• categoria (para máquinas de corrente alternada);
• fator de serviço.26
Revisão das Máquinas Elétricas Rotativas
➢Conceitos preliminares
➢Introdução às máquinas CA
➢Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos
concentrados e distribuídos
➢Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em
enrolamentos concentrados e distribuídos
➢Exercícios
27
Produção de FMMs e fluxos em MCA
Objetivos:
1. Examinar como produzir campos girantes e mostrar como
obtê-los senoidalmente distribuídos no espaço.
2. Salientar a importância que deve ser atribuída à distribuição
(espacial) de correntes nos condutores acomodados ao redor
dos entreferros => distribuição de correntes + geometria e
propriedades físicas do meio = distribuição final de
induções no entreferro.
FMM
28
Definições Básicas
• Passo polar: ângulo de abrangência de um polo magnético.
passo polar = 360o/ no. de pólos (rad. geométricos)
• Passo de bobina: menor ângulo compreendido entre os lados
ativos de uma bobina.
• Bobina de passo pleno: bobina cujo passo é igual ao passo
polar.
• Bobina de passo encurtado: bobina cujo passo é menor que
o passo polar.
FMM
29
A. Classificação dos enrolamentos das máquinas elétricas
a)Concentrados e distribuídos:
FMM
30
Enrolamentos distribuídos:
FMM
31
Enrolamentos abertos (de fase, em geral polifásicos) e
fechados (de comutador):
FMM
32
B. Maneiras usuais de produzir campos girantes
Sistema de referência adotado – estator
Exemplo:
-observador situado no induzido da máquina com indutor
girante => campo = girante
-observador postado no indutor => campo = estacionário
FMM
33
B. Maneiras usuais de produzir campos girantes
a)Enrolamentos monofásicos girantes, alimentados com
corrente contínua (concentrados ou distribuídos).
b)Enrolamentos polifásicos (estacionários), alimentados com
corrente alternada (induzido de máquinas síncronas e de
máquinas assíncronas).
FMM
34
No caso a, via de regra, todas as bobinas são ligadas em série
e de forma a produzirem pólos magnéticos alternadamente
norte e sul.
FMM
35
No caso b, podem ser encontrados no induzido de geradores
síncronos e no indutor dos motores assíncronos polifásicos.Enrolamento trifásico bipolar, de passo pleno e distribuído em q=3r/p/f
Distribuição espacial de correntes instantâneas nas fases a, b, c para os seguintes instantes:
(a) ia = Imáx; ib = ic = -Imáx/2
(b) ib = Imáx; ia = ic = -Imáx/2
(c) ic = Imáx; ia = ib = -Imáx/2
FMM
36
Campo magnético produzido no motor assíncrono (ou indução).
FMM
37
Demonstrar a existência de um campo girante gerado por um
enrolamento trifásico de um motor de indução:
Vídeo demonstração campo girante.mp4
+
CampoLT.exe
FMM
38
Obtenção de distribuições senoidais de induções ao redor
dos entreferros
- Enrolamentos concentrados
FMM
39
Conclusão: As intensidades de campo H e as indução B ao
longo de seus pontos serão inversamente proporcionais aos
comprimentos le.
Obs.: Nos casos reais, há que se considerar os efeitos de relutância do
ferro, inclusive de sua saturação. Contudo, mesmo que não se consigam
distribuições suficientemente senoidais de induções de espaço, isto não
nos impede de obtermos tensões induzidas praticamente senoidais (no
tempo).
FMM
න𝐻. 𝑑𝑙 = 2. N. i
න
𝑎
𝑑
𝐻. 𝑑𝑙 = න
𝑑
𝑎
𝐻. 𝑑𝑙 = 𝑁. 𝑖 =1
2න𝐻. 𝑑𝑙
ondeන
𝑎
𝑑
𝐻. 𝑑𝑙 𝑒 න
𝑑
𝑎
𝐻. 𝑑𝑙 são definidas para os segmentos ′abcd′e ′defa′, respectivemente
𝐻. 𝑙𝑒 = 𝑁. 𝑖 = constante ampères − Τespiras polo
40
- Enrolamentos distribuídos
FMM
41
Obs. 1: Na ausência de relutâncias no ferro, a distribuição
espacial de induções seria proporcional à de forças
magnetomotrizes, conservando a mesma forma em degraus.
Na realidade, essa forma é alterada pelas relutâncias do ferro
e, sobretudo, pela sua saturação.
Obs. 2: Para fins de análise, a onda espacial de forças
magnetomotrizes, em degraus, pode ser decomposta em uma
componente senoidal fundamental e numa série de
harmônicas. Ainda, pode-se dizer que as harmônicas dessas
forças magnetomotrizes serão sensivelmente reduzidas pela
distribuição e encurtamento das bobinas desse
enrolamento.
FMM
42
Produção de campo por intermédio de enrolamentos de
corrente alternativa monofásicos: aspectos quantitativos
Objetivo:
Estudo dos campos produzidos pelos enrolamentos
polifásicos => inicia-se com a análise dos campos criados
pelos enrolamentos monofásicos.
Objetivo imediato – estudo das distribuições de FMMs
mantidas por estes enrolamentos; os campos magnéticos (H) e
as correspondentes distribuições de induções (B) que eles
mantém ao redor do entreferro serão consequência daquelas
distribuições de FMMs, assim como as propriedades físicas e
geométricas do meio.
FMM
43
Enrolamentos monofásicos concentrados e de passo pleno
FMM
44
FMM
Se 𝐢 = 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭𝐞 , decompondo a onda retangular em uma série de Fourier tem − se:
𝐹′ = 𝑁. 𝑖 = 𝐹1′. cosθ − 𝐹3
′. cos3θ + 𝐹5′. cos5θ+. . . +𝐹ℎ
′ . cosℎθ−. . .
Analisando a série de Fourier chega − se a seguinte conclusão:
a 𝐹′=4
π. 𝐹′ =
4
π. 𝑁. 𝑖 − a amplitude da 𝐜𝐨𝐦𝐩. 𝐟𝐮𝐧𝐝𝐚𝐦𝐞𝐧𝐭𝐚𝐥 é
igual a4
πvezes a amplitude 𝐹′ = 𝑁. 𝑖 da onda retangular resultante;
b 𝐹ℎ′ =
1
ℎ.4
π.𝑁. 𝑖 − a amplitude de uma 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐨𝐧𝐞𝐧𝐭𝐞 𝐡𝐚𝐫𝐦ô𝐧𝐢𝐜𝐚 𝐝𝐞 𝐨𝐫𝐝𝐞𝐦 𝐡 é
igual a1
ℎda amplitude da componente fundamental F1
′ e
1
ℎ.4
πvezes a amplitude da onda retangular resultante.
45
FMM
Se 𝒊 = 𝑰𝒎á𝒙. 𝐜𝐨𝐬𝛚𝒕 , decompondo a onda retangular em série de Fourier tem − se:
𝐹′ 𝑡, θ = 𝑁. 𝐼𝑚á𝑥. cosω𝑡 = 𝐹1máx′ . cosω𝑡. 𝑐𝑜𝑠θ − 𝐹3máx
′ . cosω𝑡. 𝑐𝑜𝑠3θ+. . .
+𝐹ℎ𝑚á𝑥′ . cosω𝑡. 𝑐𝑜𝑠ℎθ−. . .
onde 𝐹ℎ𝑚á𝑥′ =
1
ℎ. 𝐹1máx
′ =1
ℎ.4
π.𝑁. 𝐼𝑚á𝑥 ℎ = 1,3,5, . . .
Analisando a série de Fourier chega − se a seguinte conclusão:
a cada uma das componentes senoidais da onda retangular consitituiuma onda 𝐞𝐬𝐭𝐚𝐜𝐢𝐨𝐧á𝐫𝐢𝐚 𝐧𝐨 𝐞𝐬𝐩𝐚ç𝐨 𝐞 𝐚𝐥𝐭𝐞𝐫𝐧𝐚𝐭𝐢𝐯𝐚 𝐧𝐨 𝐭𝐞𝐦𝐩𝐨;
b a menos da relutância e da saturação no ferro, a 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐫𝐞𝐭𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐝𝐞 𝐅𝐌𝐌𝐬produz 𝐨𝐧𝐝𝐚 𝐢𝐠𝐮𝐚𝐥𝐦𝐞𝐧𝐭𝐞 𝐫𝐞𝐭𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐝𝐞 𝐢𝐧𝐝𝐮çõ𝐞𝐬 ao longo do entreferro liso;
c tais FMMs são indesejáveis obrigando − nos a recorrer a 𝐚𝐫𝐭𝐢𝐟í𝐜𝐢𝐨𝐬que as tornem, tanto quanto possível, senoidais.
46
Distribuição de enrolamentos monofásicos
FMM
47
FMM
Obs.:
1) Cada par de bobinas (I, I'), (II, II'), (III, III'), comporta-se
como um enrolamento concentrado e de passo pleno.
2) O conjunto de todas as bobinas mantém uma onda que pode
ser calculada pela soma dessas componentes retangulares, e o
resultado global será semelhante à onda em degraus.
3) Para obtermos uma expressão para essa soma, podemos
recorrer à decomposição em série de Fourier de cada uma das
ondas retangulares e, em seguida, somar as componentes
harmônicas de mesma ordem.
48
FMM
As equações das ondas produzidas pelas bobinas I, I′ , II, II′ , III, III′ , . . . Q, Q′ ,
distanciadas de Δ, 2Δ, . . . q − 1 Δ radianos em relação à primeira, serão, respectivamente:
𝐹𝐼′ =
𝐹1′
𝑞. cosθ −
𝐹3′
𝑞. cos3θ+. . . +
𝐹ℎ′
𝑞. cosℎθ−. . .
𝐹𝐼𝐼′ =
𝐹1′
𝑞. cos θ − Δ −
𝐹3′
𝑞. 𝑐𝑜𝑠3 θ − Δ +. . . +
𝐹ℎ′
𝑞. cosh θ − Δ −. . .
𝐹𝐼𝐼𝐼′ =
𝐹1′
𝑞. cos θ − 2Δ −
𝐹3′
𝑞. 𝑐𝑜𝑠3 θ − 2Δ +. . . +
𝐹ℎ′
𝑞. cosh θ − 2Δ −. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
𝐹𝑄′ =
𝐹1′
𝑞. cos θ − 𝑞 − 1 Δ −
𝐹3′
𝑞. 𝑐𝑜𝑠3 θ − 𝑞 − 1 Δ +. . . +
𝐹ℎ′
𝑞. cosh θ − 𝑞 − 1 Δ −. . .
49
FMM
A onda resultante será dada por uma série do tipo:
𝐹𝑟 =𝐹1′
𝑞.
𝑘=1
𝑘=𝑞
. cos θ − 𝑘 − 1 Δ −𝐹3′
𝑞.
𝑘=1
𝑘=𝑞
. 𝑐𝑜𝑠3 θ − 𝑘 − 1 Δ +. . .
+𝐹ℎ′
𝑞.
𝑘=1
𝑘=𝑞
. cosh θ − 𝑘 − 1 Δ −. . . = 𝐹1 − 𝐹3 + 𝐹5. . .
A característica dessa onda resultante fica determinada quando determinadas forem
suas componentes fundamental 𝐹1 =𝐹1′
𝑞.
𝑘=1
𝑘=𝑞
. cos θ − 𝑘 − 1 Δ
e harmônicas 𝐹ℎ =𝐹ℎ′
𝑞.
𝑘=1
𝑘=𝑞
. cosh θ − 𝑘 − 1 Δ
Porém, a maneira mais cômoda para efetuarmos estas somas consiste em representar
ondas senoidais no espaço por intermédio de vetores, substituindo − se𝐬𝐨𝐦𝐚𝐬 𝐝𝐞 𝐟𝐮𝐧çõ𝐞𝐬 𝐭𝐫𝐢𝐠𝐨𝐧𝐨𝐦é𝐭𝐫𝐢𝐜𝐚𝐬 𝐩𝐨𝐫 𝐬𝐢𝐦𝐩𝐥𝐞𝐬 𝐬𝐨𝐦𝐚𝐬 𝐝𝐞 𝐯𝐞𝐭𝐨𝐫𝐞𝐬.
50
FMM
Assim, representando a primeira componente fundamental produzida pela bobina I,
𝐹1′
𝑞. 𝑒𝑗0, então as demais ficam definidas pelos vetores:
𝐹1′
𝑞. 𝑒𝑗Δ,
𝐹1′
𝑞. 𝑒𝑗2Δ, . . . ,
𝐹1′
𝑞. 𝑒𝑗 𝑞−1 Δ,
51
FMM
A representação da soma vetorial está indicada na figura acima.
O valor final para 𝐅𝟏 obtém − se em termos da progressão geométrica de razão 𝑒𝑗Δ:
𝐅𝟏 =𝐹1′
𝑞.𝑠𝑒𝑛𝑞 ΤΔ 2
𝑠𝑒𝑛 ΤΔ 2. 𝑒𝑗 𝑞−1 ΤΔ 2
52
FMM
Em módulo,
𝐹1 = 𝐹1′.𝑠𝑒𝑛𝑞 ΤΔ 2
𝑞𝑠𝑒𝑛 ΤΔ 2= 𝐹1
′. 𝐾𝑑1
onde 𝐾𝑑1 é definido como o 𝐅𝐚𝐭𝐨𝐫 𝐝𝐞 𝐃𝐢𝐬𝐭𝐫𝐢𝐛𝐮𝐢çã𝐨 do enrolamento,
referente a componente fundamental.
É fácil demonstrar que a componente harmônica de ordem ℎ é dada por:
𝐹ℎ = 𝐹ℎ′ .𝑠𝑒𝑛𝑞 ΤΔ 2
𝑞𝑠𝑒𝑛 ΤΔ 2= 𝐹ℎ
′ . 𝐾𝑑ℎ
sendo 𝐾𝑑ℎ o Fator de Distribuição do enrolamento, referente as harmônicas de ordem ℎ.
Conclusão: a distribuição atenua igualmente as harmônicas
(temporais) de FMMs produzidas pelo enrolamento.
53
Encurtamento de bobinas
Além de distribuídos, os enrolamentos podem ser encurtados,
ou seja, podem ter bobinas de passo encurtado.
FMM
Assim, pode − se definir:
𝐾𝑐1 = cosδ
2; 𝐾𝑐ℎ = cos
ℎδ
2
que são os 𝐟𝐚𝐭𝐨𝐫𝐞𝐬 𝐝𝐞 𝐄𝐧𝐜𝐮𝐫𝐭𝐚𝐦𝐞𝐧𝐭𝐨, da fundamental e harmônicas.
Finalmente, considerando os dois fatores anteriores, pode − se definir:
𝐾𝑒1 = 𝐾𝑑1. 𝐾𝑐1; 𝐾𝑒ℎ = 𝐾𝑑ℎ . 𝐾𝑐ℎ
sendo 𝐾𝑒1 e 𝐾𝑒ℎ os 𝐟𝐚𝐭𝐨𝐫𝐞𝐬 𝐝𝐞 𝐄𝐧𝐫𝐨𝐥𝐚𝐦𝐞𝐧𝐭𝐨 da fundamental e harmônicas.
54
Encurtamento de bobinas
Em geral, para h=1, tem-se Keh1 e para h>1, seus valores
decrescem rapidamente com h. Este fato aliado
à inexistência de harmônicas múltiplas de três na onda de
FMM de enrolamentos trifásicos simétricos e em carga
equilibrada; e,
ao fato de que Fh’=F1
’/h também decresce com h,
permite admitir desprezíveis as harmônicas de FMM, em face
da sua componente fundamental, ou seja, pode-se admitir
praticamente senoidais para as FMMs ao redor dos
entreferros das máquinas elétricas, quando produzidas por
enrolamentos distribuídos e encurtados.
FMM
55
Enrolamentos polifásicos: Campos Girantes
Os campos criados pelas correntes alternativas circulando em
enrolamentos monofásicos não são campos girantes: suas
distribuições ao redor dos entreferros caracterizam-se por
ondas alternativas no tempo, porém estacionárias no
espaço.
Como obter campos girantes por intermédio de enrolamentos
não girantes (fixos)? => Usando enrolamentos polifásicos, em
particular, enrolamentos trifásicos.
FMM
56
Campos girantes criados pelos enrolamentos 3:
concentrados e de passo pleno
Os enrolamentos 3 são constituídos por 3 enrolamentos 1 idênticos,
deslocados entre si de 120o elétricos (no espaço), conduzindo correntes
alternativas senoidais defasadas entre si também de 2/3 radianos elétricos
(no tempo)
Cada enrolamento produz uma componente de campo no entreferro e o
campo resultante decorre da composição desses campos componentes
Sejam:
FMM
𝑖𝑎 = 𝐼𝑚á𝑥. cos ω𝑡
𝑖𝑏 = 𝐼𝑚á𝑥. cos ω𝑡 − 120𝑜
𝑖𝑐 = 𝐼𝑚á𝑥. cos ω𝑡 − 240𝑜
57
FMM
58
Uma expressão analítica para a onda resultante pode ser obtida a partir das
séries representativas de cada uma das ondas retangulares componentes.
Adotando como eixo de referência o eixo da primeira bobina da fase a,
obtém-se para as fases a, b e c, respectivamente,
A onda resultante procurada será dada por
FMM
59
Analisando cada uma de suas componentes harmônicas em separado tem-se,
- Para a componente fundamental:
- Para h múltiplo de 3:
- Para demais valores ímpares de h:
FMM
60
Conclusões (enrolamentos concentrados e de passo pleno):
a) A cada uma das componentes harmônicas corresponde uma onda (campo)
girante com amplitude 3/2Fh’max=3/2[F1
’max], ou seja, valendo 1/h da amplitude
da componente (girante) fundamental;
b) Em valor absoluto, a velocidade angular de componente harmônica de ordem
h é igual a 1/h da velocidade angular da componente fundamental, isto é, igual
a /h radianos elétricos por segundo;
c) As harmônicas de ordens h=6k+1têm sentido positivo de rotação, isto é,
concordante com o sentido de rotação da componente fundamental, valendo +
/h radianos por segundo;
d) As harmônicas de ordens h=6k-1 têm sentido negativo de rotação, isto é,
contrário ao da fundamental, valendo - /h radianos por segundo.
FMM
61
As conclusões anteriores podem ser resumidas na tabela abaixo. Observe
que (k=1, 2, 3, …), porém a amplitude zero somente ocorre para a ordem da
harmônica ímpar.
FMM
Ordem h de harmônicas Amplitude Vel.
angular
6k + 1 1 7 13 19 25 ... (3/2h)F'1máx + ω/h
3k 3 9 15 21 27 ... zero -
6k -1 5 11 17 23 29 ... (3/2h)F'1máx - ω/h
62
Pode-se verificar que em geral o conteúdo de harmônicas espaciais nos campos
produzidos pelos enrol. concentrados e de passo pleno é inadmissível !!!!
Solução?
Uma distribuição e encurtamento adequados produzem uma
verdadeira limpeza nas harmônicas de onda de FMM
produzidas por um enrolamento, deixando na prática somente
a sua componente fundamental.
FMM
63
FMM
Conclusões (enrolamentos distribuídos e de passo encurtado):
a) que Ke1 é pouco menor do que a unidade;
b) que não existem componentes harmônicas de terceira ordem, ou múltiplos de
3, no campo girante resultante de enrolamento trifásico simétrico e em carga
equilibrada;
c) que os fatores de enrolamento para as harmônicas seguintes (5a., 7a., 11a.,
…) em geral são muito menores do que a unidade e, finalmente,
d) que as harmônicas mais elevadas, cujos fatores de enrolamento podem não
ser tão pequenos (h = 17, 19, … no exemplo da tabela), já não tem grande
influência sobre o campo resultante, pelo fato de suas amplitudes serem
reduzidas pelo denominador h:
64
Revisão das Máquinas Elétricas Rotativas
➢Conceitos preliminares
➢Introdução às máquinas CA
➢Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos
concentrados e distribuídos
➢Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em
enrolamentos concentrados e distribuídos
➢Exercícios
65
Produção de FEM em máquinas de corrente alternativa
Objetivos:
1. Estudar a geração de FEM em enrolamentos de corrente
alternativa distribuídos, monofásicos e polifásicos;
2. Examinar as FEMs induzidas por distribuições de indução
senoidal no espaço + distribuições espaciais não senoidais.
FEM
66
Campos girantes (distribuição senoidal) – Fluxo por pólo
A cada semi-onda do campo girante corresponderá um pólo magnético do
conversor rotativo e a cada um desses pólos corresponderá um certo fluxo
que será o fluxo por pólo do campo girante. Esse fluxo será proporcional
à área da figura representativa de uma semi-onda do campo.
p
rlB
p
dlrBBdA máxmáx 2..cos
2/
2/
2/
2/
FEM
67
Bobina concentrada de passo pleno – FEM induzida
Fluxo concatenado será máximo: Y coincide com X => max=N
ffNE
tEtsenNdt
de
ttN
máx
máx
2,44,4
)2
cos(
coscos
FEM
68
Bobina concentrada de passo pleno – FEM induzida
FEMs induzidas em bobinas diferentemente situadas no espaço
)()(
tsenEtsenNe
tsenEtsenNe
máxII
máxI
FEM
69
Enrolamento monofásico concentrado e de passo pleno
Ligação paralelo: máxima corrente, mínima tensão
Ligação série: máxima tensão, mínima corrente
fasefNpNfE 44,4)2(44,4
FEM
70
Enrolamento trifásico concentrado e de passo pleno
Ranhuras por pólo e por fase (q):
q=1 – enrolamento de dupla camada, concentrado e de passo pleno
q>1 – enrolamento distribuído => q=inteiro ou q=fracionário
)240(
)120(
o
máxc
o
máxb
máxa
tsenEe
tsenEe
tsenEe
FEM
71
Enrolamento monofásico distribuído e de passo pleno
(q inteiro) – FEM induzida
FEM
72
Enrolamento monofásico distribuído e de passo pleno
(q inteiro) – FEM induzidaA dedução de uma expressão para a FEM induzida em todo o enrolamento
monofásico distribuído, com 2p pólos (2p grupos de q bobinas cada um), reduz-se à
pesquisa de uma expressão para a tensão em apenas em dos grupos.
])1([...)({
])1([
....................................
)(
1
2
1
qtsentsentsenq
Eee
qtsenq
Ee
tsenq
Ee
tsenq
Ee
máx
qi
i
i
máxq
máx
máx
FEM
73
Enrolamento monofásico distribuído e de passo pleno
(q inteiro) – FEM induzidaA mesma soma pode ser obtida associando um número complexo (fasor) a cada
uma das tensões instantânes, ou seja:
]...1[
])1([
)(
2
1
)1(2
....................................
qjjj eeetjmáx
qtjmáxq
tjmáx
tjmáx
eq
EE
eq
EE
eq
EE
eq
EE
FEM
74
Enrolamento monofásico distribuído e de passo pleno
(q inteiro) – FEM induzidaSubstituindo o somatório por uma progressão geométrica obtém-se:
Seq
EE tjmáx
]2
)1([
2
2/
qtj
máx e
qsen
senqEE
Após algumas manipulações matemáticas chega-se a:
Defasagem entre a tensão no enrolamento
distribuído e a tensão induzida na 1ª bobina do 1º
grupo
Uma redução no valor máximo da tensão
induzida na N espiras:
qi
i
dd
dfase
EEE
E
E
EK
qsen
senqK
KfNE
...;
2
2/
44,4
21
Fator de distribuição:
FEM
75
Bobina de passo fracionário – Fator de encurtamento
Uma bobina é dita de passo fracionário quando a distância angular entre seus lados
ativos for diferente de meio comprimento de onda do campo. Em geral, nas bobinas
de passo fracionário, essa distância é inferior – e não superior – a meio
comprimento de onda e elas são chamadas de passo encurtado.
cfasec KfNEk 44,42
cos
Após algumas manipulações matemáticas chega-se a:
Fator de encurtamento
FEM
76
Enrolamento monofásico distribuído e de passo
fracionário – Fator de enrolamento e FEM induzida
E, finalmente, considerando um enrolamento monofásico distribuído e de passo
fracionário, tem-se:
efasedce KfNEKKK 44,4
Fator de enrolamento
FEM
77
Enrolamento trifásico distribuído e de passo pleno
Cada passo polar da máquina deve ser dividido em três faixas (A, B, C) de
60o elétricos cada uma, reservando-se uma faixa para cada fase =>
distribuindo-se as fases a, b e c, respectivamente nas faixas A, B e C, e
devendo as fases serem mantidas a 120o uma da outra, conclui-se que as
faixas A, B e C devem se suceder na sequência A-C-B
FEM
78
Enrolamento trifásico distribuído e de passo fracionário
O enrolamento trifásico distribuído e de passo pleno da figura anterior foi
transformado em enrolamento de passo fracionário (encurtado) através da
redução do passo de suas bobinas de =2=40o
=> O fator de distribuição não se altera com o encurtamento cujos efeitos
sobre o enrolamento podem ser traduzidos pelo fator adicional Kc=cos/2
FEM
79
Distribuições não senoidais de induções – Harmônicas de
tensão induzida
Por vários motivos (ex.: saturação dos meios magnéticos), a distribuição
espacial de induções ao redor do entreferro das máquinas elétricas não é
exatamente senoidal.
Questão: Como calcular as tensões induzidas em enrolamentos submetidos
a campos girantes com distribuições não senoidais de indução no espaço?
Resposta: Embora as distribuições sejam não senoidais, são periódicas e
de valor médio nulo, podendo portanto ser decompostas em série de
Fourier.
FEM
80
Distribuições não senoidais de induções – Harmônicas de
tensão induzida
2cos;
2sen
2sen
)lfundamentafrequência(x
44,444,4
1
hK
hq
hq
K
hhff
KNfKKNfE
chdh
h
ehhfasehchdhhfasehh
FEM
81
Atenuação e supressão de harmônicas de tensão induzida
Havendo harmônicas na distribuição espacial de induções, poderá haver
harmônicas das mesmas ordens nas tensões induzidas.
Razões que levam a adotar enrolamentos distribuídos:
1. Melhor aproveitamento do espaço disponível;
2. Atenuação de harmônicas de FEM induzida => a distribuição pode
contribuir para a melhoria da forma de onda das tensões induzidas
bastando que os fatores Kdh se tornem suficientemente pequenos diante
do fator Kd1, referente à fundamental.
Com o artifício do encurtamento pode-se não só atenuar várias
harmônicas como também suprimir uma delas => a escolha daquela a
anular é uma decisão do projetista, mas em geral as mais visadas são as de
5ª e 7ª ordens.
FEM
82
Atenuação e supressão de harmônicas de tensão induzida
FEM
83
Enrolamento de ranhura fracionária – Generalidades
Não raro, o número q resulta fracionário, ou seja, q= /, sendo >,
ambos inteiros e primos entre si.
Razões para se usar este tipo de enrolamento:
1. Padronização de chapas estampadas, em variedades limitadas, para
atender à construção de máquinas com diferentes números de polos (ou
mesmo diferentes números de fases);
1. Redução de fatores de distribuição correspondentes a harmônicas, sem
aumentar excessivamente o número total das ranhuras que devem abrigar o
enrolamento.
FEM
84
Enrolamento de ranhura fracionária – Generalidades
Simetria => qdo. o arranjo dos grupos desiguais dentro de um
passo polar não se repetir identicamente nos demais passos
polares.
Condições para obtenção de simetria em enrolamento de ranhura
fracionária:
1. Se q= /, então q.(no. de fases)= /.m;
2. O denominador representará o no. mínimo de pares de polos
consecutivos a encerrarem um no. inteiro m de ranhuras para as m fases.
Consequentemente, representará o no. de ranhuras por fase
encerradas num conjunto de passos polares consecutivos.
FEM
85
Enrolamento de ranhura fracionária – Generalidades
Exemplo 1: Enrolamento trifásico; q=11/3 ranhuras por pólo e por fase
Exemplo 2: Enrolamento trifásico; q=11/2 ranhuras por pólo e por fase
FEM
86
Enrolamento de ranhura fracionária – Generalidades
Fator de distribuição:
mq
qm
mqq
q
qK
o
d
180
..
2sen
2/sen
Fator de enrolamento:
2/cos
c
cde
K
KKK
FEM
87
Revisão das Máquinas Elétricas Rotativas
➢Conceitos preliminares
➢Introdução às máquinas CA
➢Força Magnetomotriz (FMM) de enrolamentos
concentrados e distribuídos
➢Força Eletromotriz (FEM) (tensão) induzida em
enrolamentos concentrados e distribuídos
➢Exercícios
88
Exercício 1: Calcular as tensões induzidas, por fase e entre terminais, em máquina trifásica de 4 pólos,60 Hz, enrolamento induzido de dupla camada, ligação estrela, com 18 ranhuras por polo, 2 lados debobina por ranhura, 8 espiras por bobina. As bobinas são encurtadas de 1/6 do passo polar. O fluxopor polo, suposto com distribuição senoidal de induções, é φ = 0,005 Wb.
Exercício 2: Calcular as tensões eficazes induzidas por fase e entre terminais da máquina do Exer. 1,agora considerando que o fluxo resultante por polo φ = 0,005 Wb não mais decorrente de distribuiçãosenoidal de induções no entreferro, mas de uma distribuição: B (φ) = B1.senφ + B3.sen3φ, onde B3 =0,3.B1.
Exercício 3: Calcular as tensões eficazes induzidas por fase e entre terminais da máquina trifásica de 48pólos, enrolamento induzido de dupla camada, ligado em estrela, distribuído em q = 2 ranhuras porpolo e por fase, 2 lados de bobina por ranhura, 2 espiras por bobina. As bobinas são encurtadas de =1/6 do passo polar. A rotação da máquina é de 150 rpm. A tensão induzida em um dos seuscondutores ativos é expressa por: e = 10.sent + 2.sen(3t + 30º) + 1.sen(5t – 30º) volts.
Exercício 4: Calcular o fator de distribuição Kd1 referente a componente fundamental do enrolamentotrifásico com q = 1¼ ranhuras por polo e por fase. Indicar também qual o mínimo encurtamentopossível para delta e o correspondente fator de encurtamento Kc1. Preliminarmente, responder asseguintes perguntas: (a) Qual o no. mínimo de polos para a máquina com esse enrolamento? (b) Qualo no. de ranhuras por fase, encerradas nesse no. mínimo de polos? (c) Qual o no. total de ranhurasencerradas nesse no. mínimo de polos?
Exercícios
89
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