Máquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley

Autor(es): Stephen D. Umans
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A nova edição de Máquinas elétricas mantém a ênfase na compreensão dos princípios físicos fundamentais subjacentes ao desempenho das máquinas elétricas, sem desconsiderar a constante evolução tecnológica de materiais e de sistemas envolvidos. Fiel à ênfase na compreensão desses princípios físicos, o texto foi atualizando, ampliando, aprofundando e incorporando temas, exemplos, exercícios e novos recursos didáticos.

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Capítulo 1 - Circuitos magnéticos e materiais magnéticos

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CAPÍTULO

1

Circuitos magnéticos e materiais magnéticos

O

objetivo deste livro é o estudo dos dispositivos usados na interconversão de energias elétrica e mecânica. É dada ênfase às máquinas rotativas eletromagnéticas, pois é através delas que ocorre a maior parte dessa conversão. No entanto, as técnicas desenvolvidas aplicam-se genericamente a uma larga faixa de outros dispositivos, como máquinas lineares, atuadores e sensores.

Mesmo não sendo um dispositivo de conversão eletromecânica de energia, o transformador é um importante componente do processo global de conversão energética e será discutido no Capítulo 2. Como com a maioria dos dispositivos de conversão eletromecânica de energia discutidos neste livro, os enrolamentos com acoplamento magnético estão na natureza do funcionamento do transformador. Por essa razão, as técnicas desenvolvidas para sua análise formam a base da discussão que se segue sobre máquinas elétricas.

Praticamente todos os transformadores e máquinas elétricas usam material ferromagnético para direcionar e dar forma a campos magnéticos, os quais atuam como meio de transferência e conversão de energia. Materiais magnéticos permanentes, ou ímãs, também são muito usados. Sem esses materiais, não seriam possíveis as implementações práticas da maioria dos dispositivos eletromecânicos familiares de conversão de energia. A capacidade de analisar e descrever sistemas que contenham esses materiais é essencial ao projeto e entendimento desses dispositivos.

 

Capítulo 2 - Transformadores

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CAPÍTULO

2

Transformadores

A

ntes de prosseguir com este estudo de máquinas elétricas, é desejável discutir certos aspectos da teoria dos circuitos magneticamente acoplados, com ênfase na assim denominada ação do transformador. Embora o transformador estático não seja um dispositivo de conversão de energia, é um componente indispensável de muitos sistemas de conversão de energia. Como componente significativo de um sistema CA de potência, o transformador torna possível a geração elétrica na tensão mais econômica, a transmissão da energia na tensão mais econômica e a utilização da energia na tensão mais adequada de operação de um determinado dispositivo. O transformador também é muito utilizado em circuitos de baixa potência, em circuitos eletrônicos de baixas correntes e em circuitos de controle. Eles executam funções como o isolamento de dois circuitos e o casamento de impedâncias entre uma fonte e sua carga, permitindo a máxima transferência de potência. Permitem ainda o isolamento da corrente contínua, mantendo a continuidade CA entre dois circuitos.

 

Capítulo 3 - Princípios de conversão eletromecânica de energia

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CAPÍTULO

3

Princípios de conversão eletromecânica de energia

N

este capítulo, trataremos do processo de conversão eletromecânica de energia que utiliza, como meio, o campo elétrico ou magnético do dispositivo de conversão. Ainda que os diversos dispositivos de conversão operem com princípios similares, as suas estruturas dependem de suas funções. Os dispositivos de medida e controle frequentemente são denominados transdutores. Em geral, operam com sinais relativamente pequenos e sob condições lineares de entrada e saída. Diversos exemplos podem ser dados, como microfones, cápsulas fonográficas, sensores e alto-falantes. Uma segunda categoria de dispositivos abrange os dispositivos produtores de força incluindo solenoides, relés e eletroímãs. Uma terceira categoria inclui os equipamentos de conversão contínua de energia como motores e geradores.

Esse capítulo está voltado aos princípios de conversão eletromecânica de energia e à análise dos dispositivos que realizam essa função. A ênfase será colocada na análise de sistemas que usam campos magnéticos como meio de conversão, tendo em vista que os capítulos restantes deste livro tratarão de tais dispositivos. No entanto, as técnicas de análise usadas em sistemas com campos elétricos são muito semelhantes.

 

Capítulo 4 - Introdução às máquinas rotativas

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CAPÍTULO

4

Introdução às máquinas rotativas

O

objetivo deste capítulo é introduzir e discutir alguns dos princípios que fundamentam o funcionamento das máquinas elétricas. Como será visto, esses princípios são comuns a ambas as máquinas (CA e CC). São desenvolvidas várias técnicas e aproximações utilizadas na redução de uma máquina real a modelos matemáticos simples, capazes de ilustrar os princípios básicos.

4.1

Conceitos elementares

A Equação 1.26, e = dλ/dt, pode ser usada para determinar as tensões induzidas por campos magnéticos variáveis no tempo. A conversão eletromagnética de energia ocorre quando surgem alterações no fluxo concatenado λ decorrentes do movimento mecânico. Nas máquinas rotativas, as tensões são geradas nos enrolamentos ou grupos de bobinas quando estes giram mecanicamente dentro de um campo magnético, ou quando um campo magnético gira mecanicamente próximo aos enrolamentos, ou ainda quando o circuito magnético é projetado de modo que a relutância varie com a rotação do rotor. Por meio desses métodos, o fluxo concatenado em uma bobina específica é alterado ciclicamente e uma tensão variável no tempo é gerada.

 

Capítulo 5 - Máquinas síncronas

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CAPÍTULO

5

Máquinas síncronas

C

omo vimos na Seção 4.2.1, em uma máquina síncrona e em condições de regime permanente, o rotor, juntamente com o campo magnético criado por uma corrente CC ou por ímãs, gira na mesma velocidade ou em sincronismo com o campo magnético girante produzido pelas correntes de armadura e tem como resultado um conjugado constante. Uma imagem elementar de como uma máquina síncrona funciona foi dada na Seção 4.2.1, com ênfase na produção de conjugado em termos das interações entre os campos magnéticos da máquina.

Serão desenvolvidos neste capítulo métodos analíticos para examinar o desempenho, em regime permanente, das máquinas síncronas polifásicas. Uma consideração inicial será dada às máquinas de rotor cilíndrico; os efeitos dos polos salientes serão discutidos nas Seções 5.6 e 5.7.

5.1

Introdução às máquinas síncronas polifásicas

Como indicado na Seção 4.2.1, uma máquina síncrona é aquela na qual uma corrente alternada flui no enrolamento de armadura e um fluxo CC de rotor é produzido por uma excitação CC no enrolamento de campo ou por ímãs. O enrolamento de armadura está quase invariavelmente no estator e em geral é trifásico, como foi discutido no

 

Capítulo 6 - Máquinas polifásicas de indução

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CAPÍTULO

6

Máquinas polifásicas de indução

O

objetivo deste capítulo é estudar o comportamento das máquinas de indução polifásicas. Nossa análise começará com o desenvolvimento de circuitos equivalentes monofásicos, cuja estrutura genérica é sugerida pela semelhança existente entre uma máquina de indução e um transformador. Esses circuitos equivalentes podem ser usados para estudar as características eletromecânicas da máquina de indução e o efeito da carga apresentado pela máquina sobre a sua fonte de energia, seja ela uma fonte de frequência fixa, como um sistema de potência, seja um acionamento de motor com frequência e tensão variáveis.

6.1

Introdução às máquinas de indução polifásica

Como foi mostrado na Seção 4.2.1, no motor de indução a corrente alternada é fornecida diretamente ao estator, ao passo que o rotor recebe a corrente por indução, como em um transformador, a partir do estator. O enrolamento de estator é do tipo discutido na Seção 4.5, como na máquina síncrona. Quando a excitação é feita por uma fonte polifásica equilibrada, um campo magnético é produzido no entreferro girando na velocidade síncrona. Essa velocidade é determinada pelo número de polos do estator e pela frequência fe aplicada ao estator (Equação 4.44).

 

Capítulo 7 - Máquinas CC

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CAPÍTULO

7

Máquinas CC

A

s máquinas CC caracterizam-se por sua versatilidade. Por meio das diversas combinações de enrolamentos de campo, excitados em derivação, série ou independentemente, elas podem ser projetadas de modo a apresentar uma ampla variedade de características de tensão versus corrente ou de velocidade versus conjugado, para operações dinâmicas e em regime permanente. Devido à facilidade com que podem ser controladas, sistemas de máquinas CC têm sido usados com frequência em aplicações que exigem uma ampla faixa de velocidades ou de controle preciso da saída do motor. Nos últimos anos, a tecnologia de estado sólido que é utilizada nos sistemas de acionamento CA desenvolveu-se o suficiente para que esses sistemas estejam substituindo as máquinas CC em aplicações antes associadas quase exclusivamente às máquinas CC. Entretanto, a versatilidade das máquinas CC, em combinação com a relativa simplicidade dos seus sistemas de acionamento, irá assegurar o seu uso continuado em uma ampla variedade de aplicações.

 

Capítulo 8 - Máquinas de relutância variável e motores de passo

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CAPÍTULO

8

Máquinas de relutância variável e motores de passo ossivelmente, a máquina de relutância variável1 (em geral abreviada como

MRV) é a mais simples das máquinas. Consistem em um estator com enrolamentos de excitação e um rotor magnético com saliências. Os condutores do rotor não são necessários porque o conjugado é produzido pela tendência do rotor a se alinhar com a onda de fluxo produzida pelo estator, de modo a maximizar os fluxos concatenados que resultam da aplicação de uma determinada corrente de estator.

Nessas máquinas, as indutâncias dos enrolamentos do estator são funções da posição angular do rotor. Assim, o conjugado produzido por essas máquinas pode ser analisado usando as técnicas do Capítulo 3.

Embora o conceito de MRV seja conhecido já há muito tempo, apenas nas décadas recentes essas máquinas alcançaram um amplo uso em aplicações de engenharia.

Isso é devido em grande parte ao fato de que, embora sejam de construção simples, o seu controle é um tanto complicado. Por exemplo, a posição do rotor deve ser conhecida para que os enrolamentos de fase sejam apropriadamente energizados. A grande disponibilidade e o baixo custo da computação digital em combinação com a eletrônica de potência tornaram as MRVs competitivas com outras tecnologias de motores em uma larga faixa de aplicações.

 

Capítulo 9 - Motores mono e bifásicos

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CAPÍTULO

9

Motores mono e bifásicos

E

ste capítulo discute os motores monofásicos. Ao mesmo tempo que focaliza os motores de indução, também discute os motores de indução, os síncronos de relutância, os de histerese e os de polos sombreados. Observe que outro motor monofásico comum, o motor série universal, foi discutido na Seção 7.10. A maioria dos motores de indução com uma especificação de potência fracionária (fração de quilowatt) são motores monofásicos. Em aplicações residenciais e comerciais, são encontrados em uma ampla variedade de equipamentos incluindo refrigeradores, condicionadores de ar, trocadores de calor, ventiladores, bombas, máquinas de lavar e secadores.

Neste capítulo, descreveremos esses motores qualitativamente em termos da teoria do campo girante e começaremos com uma análise rigorosa de um motor monofásico que opera com um único enrolamento. Entretanto, na realidade, a maioria dos motores de indução monofásicos são motores bifásicos com enrolamentos assimétricos. Normalmente, os dois enrolamentos são bem diferentes, com números diferentes para as espiras e/ou a distribuição de enrolamentos. Assim, este capítulo discute também os motores bifásicos e inclui o desenvolvimento de uma teoria quantitativa para a análise de motores de indução monofásicos que estejam funcionando com ambos os enrolamentos: principal e auxiliar.

 

Capítulo 10 - Controle de velocidade e conjugado

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CAPÍTULO

10

Controle de velocidade e conjugado

O

s motores elétricos são empregados em muitas aplicações que requerem controle de velocidade e conjugado. A maioria das máquinas CA do século passado tendia a ser empregada basicamente como dispositivos de velocidade única.

Normalmente, elas funcionavam com fontes de frequência fixa (na maioria dos casos era a rede elétrica de 50 ou 60 Hz), ao passo que o controle da velocidade requeria uma fonte de velocidade variável. Assim, as aplicações que exigiam velocidade variável e conjugado controlado eram atendidas por máquinas CC, que podem proporcionar controle de velocidade altamente flexível, embora a certo custo porque elas são mais complexas, mais caras e necessitam de mais manutenção do que as máquinas CA.

A disponibilidade de interruptores ou chaves de potência de estado sólido e microprocessadores para controle alterou muito essa situação. Hoje, é possível construir sistemas eletrônicos de potência capazes de fornecer as formas de onda de tensão/corrente e frequência variáveis necessárias para obter a operação com velocidade variável e controle de conjugado com máquinas CA. Como resultado, agora as máquinas CA substituíram as máquinas CC em muitas aplicações tradicionais e um amplo conjunto de novas aplicações se desenvolveu.

 

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