Fundamentos de Máquinas Elétricas

Autor(es): Stephen J. Chapman
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O livro aborda de maneira acessível e amigável os tópicos mais importantes dessa área. A forma clara de escrever do autor elucida os temas dessa disciplina para os estudantes e engenheiros praticantes. Conta com revisões e problemas ao final de cada capítulo sobre a máquina síncrona e o motor de indução com base nas folhas de especificações de máquinas reais. Tópicos atualizados aparecem ao longo do texto, incluindo uma cobertura ampliada das novas tendências na indústria, como o uso do gerador de indução em torres de telefonia celular.

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Capítulo 1 - Introdução aos princípios de máquinas

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capítulo

1

Introdução aos princípios de máquinas

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

1.1

Aprender os fundamentos da mecânica de rotacional: velocidade angular, aceleração angular, conjugado e a lei de Newton para a rotação.

Aprender como produzir um campo magnético.

Compreender os circuitos magnéticos.

Compreender o comportamento dos materiais ferromagnéticos.

Compreender a histerese nos materiais ferromagnéticos.

Compreender a lei de Faraday.

Compreender como se produz uma força induzida em um fio condutor.

Compreender como se produz uma tensão induzida em um fio condutor.

Compreender o funcionamento de uma máquina linear simples.

Ser capaz de trabalhar com as potências ativa, reativa e aparente.

MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES

NA VIDA DIÁRIA

Uma máquina elétrica é um dispositivo que pode converter tanto a energia mecânica em energia elétrica como a energia elétrica em energia mecânica. Quando tal dispositivo é usado para converter energia mecânica em energia elétrica, ele é denominado gerador. Quando converte energia elétrica em energia mecânica, ele é denominado motor. Como qualquer máquina elétrica é capaz de fazer a conversão da energia em ambos os sentidos, então qualquer máquina pode ser usada como gerador ou como motor. Na prática, quase todos os motores fazem a conversão da energia de uma forma em outra pela ação de um campo magnético. Neste livro, estudaremos somente máquinas que utilizam o campo magnético para realizar tal conversão.

 

Capítulo 2 - Transformadores

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capítulo

2

Transformadores

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender a finalidade de um transformador em um sistema de potência.

Conhecer as relações de tensão, corrente e impedância nos enrolamentos de um transformador ideal.

Compreender como os transformadores reais aproximam-se do funcionamento de um transformador ideal.

Ser capaz de explicar como as perdas no cobre, o fluxo de dispersão, a histerese e as correntes parasitas são modeladas nos circuitos equivalentes de transformador.

Usar um circuito equivalente de transformador para encontrar as transformações de tensão e corrente em um transformador.

Ser capaz de calcular as perdas e a eficiência de um transformador.

Ser capaz de deduzir o circuito equivalente de um transformador a partir de medidas.

Compreender o sistema por unidade de medidas.

Ser capaz de calcular a regulação de tensão de um transformador.

 

Capítulo 3 - Fundamentos de máquinas CA

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capítulo

3

Fundamentos de máquinas CA

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Aprender como gerar uma tensão CA em uma espira que gira dentro de um campo magnético uniforme.

Aprender como gerar conjugado em uma espira que conduz uma corrente dentro de um campo magnético uniforme.

Aprender como criar um campo magnético girante a partir de um motor trifásico.

Compreender como um campo magnético oriundo de um rotor em rotação induz tensões CA nos enrolamentos de um estator.

Compreender a relação entre frequência elétrica, o número de polos e a velocidade de rotação de uma máquina elétrica.

Compreender como o conjugado é induzido em uma máquina CA.

Compreender os efeitos da isolação dos enrolamentos sobre a vida útil da máquina.

Compreender os tipos de perdas em uma máquina e o diagrama de fluxo de potência.

As máquinas CA são geradores que convertem energia mecânica em energia elétrica CA e motores que convertem energia elétrica CA em energia mecânica. Os princípios fundamentais das máquinas CA são muito simples, mas infelizmente eles são obscurecidos pela construção complicada das máquinas reais. Este capítulo explicará primeiro os princípios do funcionamento das máquinas CA por meio de exemplos simples e, a seguir, examinará algumas das complicações que ocorrem nas máquinas CA reais.

 

Capítulo 4 - Geradores síncronos

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4

Geradores síncronos

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender o circuito equivalente de um gerador síncrono.

Saber desenhar os diagramas fasoriais de um gerador síncrono.

Conhecer as equações de potência e conjugado de um gerador síncrono.

Saber como deduzir as características de uma máquina síncrona a partir de medidas (CAV e CCC).

Compreender como a tensão de terminal varia com a carga em um gerador síncrono que opera isolado. Saber calcular a tensão de terminal sob diversas condições de carga.

Compreender as condições requeridas para colocar em paralelo dois ou mais geradores síncronos.

Compreender o procedimento para colocar em paralelo geradores síncronos.

Compreender o funcionamento em paralelo de geradores síncronos, dentro de um sistema de potência muito grande (ou barramento infinito).

Compreender o limite de estabilidade estática de um gerador síncrono e por que o limite de estabilidade transitória é inferior ao limite de estabilidade estática.

 

Capítulo 5 - Motores síncronos

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5

Motores síncronos

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender o circuito equivalente de um motor síncrono.

Ser capaz de desenhar diagramas fasoriais para um motor síncrono.

Conhecer as equações de potência e conjugado de um motor síncrono.

Compreender como e por que o fator de potência varia quando a carga de um motor síncrono aumenta.

Compreender como e por que o fator de potência varia quando a corrente de campo de um motor síncrono aumenta – a curva “V”.

Compreender como é dada a partida de motores síncronos.

Ser capaz de diferenciar se uma máquina síncrona está operando como motor ou como gerador e também se ela está fornecendo ou consumindo potência reativa pelo exame do diagrama fasorial.

Compreender as especificações nominais dos motores síncronos.

Motores síncronos são máquinas síncronas usadas para converter potência elétrica em potência mecânica. Este capítulo explora o funcionamento básico dos motores síncronos e estabelece sua relação com os geradores síncronos.

 

Capítulo 6 - Motores de indução

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6

Motores de indução

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender as diferenças fundamentais entre um motor síncrono e um motor de indução.

Compreender o conceito de escorregamento de rotor e sua relação com a frequência do rotor.

Compreender e saber usar o circuito equivalente de um motor de indução.

Compreender os fluxos de potência e o diagrama de fluxo de potência de um motor de indução.

Ser capaz de usar a equação da curva característica de conjugado versus velocidade.

Compreender como a curva característica de conjugado versus velocidade varia com as diversas classes de rotor.

Compreender as técnicas usadas para a partida dos motores de indução.

Compreender como a velocidade dos motores de indução pode ser controlada.

Compreender como medir os parâmetros do modelo de circuito do motor de indução.

Compreender como a máquina de indução é usada como gerador.

 

Capítulo 7 - Fundamentos de máquinas CC

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7

Fundamentos de máquinas CC

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender como a tensão é induzida em uma espira simples em rotação.

Compreender como as faces polares curvas contribuem para um fluxo constante e assim para tensões de saída mais constantes.

Compreender e saber usar a equação da tensão e do conjugado induzidos em uma máquina CC.

Compreender a comutação.

Compreender os problemas da comutação, incluindo a reação de armadura e os efeitos

Compreender o diagrama de fluxo de potência das máquinas CC.

As máquinas CC são geradores que convertem a energia mecânica em energia elétrica

CC e motores que convertem a energia elétrica CC em energia mecânica. A maioria das máquinas CC é como as máquinas CA no sentido de que elas contêm tensões e correntes CA em seu interior – as máquinas CC têm um saída CC somente porque existe um mecanismo que converte as tensões CA internas em tensões CC em seus terminais. Como esse mecanismo é denominado comutador, as máquinas CC são também conhecidas como máquinas de comutação.

 

Capítulo 8 - Motores e geradores CC

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8

Motores e geradores CC

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Conhecer os tipos de motores CC de uso geral.

Compreender o circuito equivalente de um motor CC.

Compreender como obter a característica de conjugado versus velocidade dos motores CC de excitação independente, em derivação, série e composta.

Ser capaz de realizar a análise não linear dos motores CC usando a curva de magnetização e levando em consideração os efeitos da reação de armadura.

Compreender como controlar a velocidade dos diferentes tipos de motores CC.

Compreender a característica especial dos motores CC série e as aplicações para as quais eles são especialmente adequados.

Ser capaz de explicar os problemas associados com o motor CC composto diferencial.

Compreender os métodos de partida segura dos motores CC.

Compreender o circuito equivalente de um gerador CC.

 

Capítulo 9 - Motores monofásicos e para aplicações especiais

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capítulo

9

Motores monofásicos e para aplicações especiais

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Compreender por que um motor universal é denominado “universal.”

Compreender como é possível desenvolver conjugado unidirecional a partir de um campo magnético pulsante em um motor de indução monofásico.

Compreender como dar partida nos motores de indução monofásicos.

Compreender as características das diversas classes de motores de indução monofásicos: de fase dividida, com capacitores e de polos sombreados.

Ser capaz de calcular o conjugado induzido de um motor de indução monofásico.

Compreender o funcionamento básico dos motores de relutância e de histerese.

Compreender o funcionamento de um motor de passo.

Compreender o funcionamento de um motor CC sem escovas.

Os Capítulos 3 a 6 foram dedicados ao funcionamento das duas principais classes de máquinas CA (síncronas e de indução) dos sistemas de potência trifásicos. Os motores e os geradores desses tipos são de longe os mais comuns presentes em ambientes comerciais e industriais de maior porte. Entretanto, a maioria das residências e das pequenas empresas não dispõe de energia elétrica trifásica. Em tais locais, todos os motores devem funcionar a partir de fontes de potência monofásicas. Este capítulo trata da teoria e funcionamento dos dois principais tipos de motores monofásicos: o motor universal e o motor de indução monofásico. O motor universal, que é uma extensão imediata do motor CC série, será descrito na Seção 9.1.

 

Apêndice A - Circuitos trifásicos

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apêndice

A

Circuitos trifásicos

A

tualmente, quase toda a geração de energia elétrica e a maioria da transmissão de energia elétrica no mundo ocorrem na forma de circuitos CA trifásicos. Um sistema de potência CA trifásico consiste em geradores trifásicos, linhas de transmissão e cargas. Os sistemas de potência CA têm uma grande vantagem sobre os sistemas CC porque seus níveis de tensão podem ser mudados usando transformadores, permitindo assim reduzir as perdas de transmissão, como foi descrito no Capítulo 2.

Os sistemas de potência CA trifásicos têm duas grandes vantagens em relação aos sistemas de potência monofásicos: (1) é possível obter mais potência por quilograma de metal de uma máquina trifásica e (2) a potência entregue a uma carga trifásica é constante durante todo o tempo, em vez de pulsar, como ocorre nos sistemas monofásicos. Os sistemas trifásicos também tornam mais fácil o uso de motores de indução, porque permitem que a partida deles ocorra sem necessidade de enrolamentos auxiliares de partida.

 

Apêndice B - Passo de uma bobina e enrolamentos distribuídos

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apêndice

B

Passo de uma bobina e enrolamentos distribuídos

C

omo foi mencionado no Capítulo 3, a tensão induzida em uma máquina CA será senoidal somente se as componentes harmônicas da densidade de fluxo do entreferro forem eliminadas. Este apêndice descreve duas técnicas usadas pelos projetistas para remover as harmônicas das máquinas.

B.1 O EFEITO DO PASSO DE UMA BOBINA NAS MÁQUINAS CA

Na máquina CA simples da Seção 3.4, as tensões de saída das bobinas do estator eram senoidais porque a distribuição da densidade de fluxo no entreferro era senoidal. Se a distribuição da densidade de fluxo do entreferro não fosse senoidal, as tensões de saída do estator também não seriam senoidais; elas teriam a mesma forma não senoidal da distribuição de fluxo.

Em geral, a distribuição da densidade de fluxo no entreferro de uma máquina

CA não é senoidal. Os projetistas de máquinas fazem o melhor possível para obter distribuições de fluxo senoidais, mas, naturalmente, nenhum projeto é perfeito. A distribuição de fluxo real consistirá em uma componente fundamental senoidal mais as harmônicas. Essas componentes harmônicas do fluxo geraram componentes harmônicas nas tensões e correntes do estator.

 

Apêndice C - Teoria dos polos salientes das máquinas síncronas

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apêndice

C

Teoria dos polos salientes das máquinas síncronas

O

circuito equivalente de um gerador síncrono, desenvolvido no Capítulo 4, é de fato válido apenas para máquinas construídas com rotores cilíndricos e não para máquinas construídas com rotores de polos salientes. Da mesma forma, a expressão da relação entre o ângulo de conjugado ␦ e a potência fornecida pelo gerador [Equação (4-20)] é válida apenas para rotores cilíndricos. No Capítulo 4, ignoramos os efeitos devidos às saliências nos rotores e assumimos que a teoria simples do rotor cilíndrico poderia ser aplicada. De fato, essa suposição não é ruim quando se trabalha com o regime permanente, mas é bem pobre quando queremos analisar o comportamento transitório de geradores e motores.

O problema com o circuito equivalente simples dos motores de indução é que ele ignora o efeito do conjugado de relutância sobre o gerador. Para compreender essa ideia, consulte a Figura C-1. Essa figura mostra um rotor de polos salientes sem enrolamentos dentro de um estator trifásico. Se um campo magnético de estator for produzido como está mostrado na figura, então ele induzirá um campo magnético no rotor. Como é muito mais fácil produzir um fluxo ao longo do eixo do rotor do que ortogonal ao eixo, então o fluxo induzido no rotor irá se alinhar com o eixo do rotor.

 

Apêndice D - Tabelas de constantes e fatores de conversão

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apêndice

D

Tabelas de constantes e fatores de conversão

Constantes

Carga do elétron

e ⫽ ⫺1,6 ⫻ 10⫺19 C

Permeabilidade do vácuo

␮0 ⫽ 4␲ ⫻10⫺7 H/m

Permissividade do vácuo

⑀0 ⫽ 8,854 ⫻ 10⫺12 F/m

Fatores de conversão

Comprimento

1 metro (m)

⫽ 3,281 pés

⫽ 39,37 polegadas

Massa

1 quilograma (kg)

⫽ 0,0685 slugs

⫽ 2,205 libras massa (lbm)

Força

1 newton (N)

⫽ 0,2248 libras força (lbf)

⫽ 7,233 poundals

⫽ 0,102 kg (força)

Conjugado (Torque)

1 newton-metro (N • m)

⫽ 0,738 libras-pés (lb • pé)

Energia

1 joule (J)

⫽ 0,738 pés-libras (pé • lb)

⫽ 3,725 ⫻ 10⫺7 HP-hora (HP • h)

⫽ 2,778 ⫻ 10⫺7 quilowatt-hora (kWh)

Potência

1 watt (W)

1 HP

⫽ 1,341 ⫻ 10⫺3 HP

⫽ 0,7376 pé • libra-força/s

⫽ 746 W

Fluxo magnético

1 weber (Wb)

⫽ 108 maxwells (linhas)

Densidade de fluxo magnético

 

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