Máquinas elétricas - motores, geradores e partidas - 1ª edição - 2016

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Com linguagem objetiva e de fácil compreensão, esta obra é direcionada a estudantes de cursos técnicos das áreas de Engenharia e Eletrônica, profissionais técnicos e demais interessados no assunto. Seu objetivo é nortear didaticamente o leitor, conduzindo seu aprendizado de maneira constante e abrangente. O conteúdo é distribuído em oito capítulos, que abordam os principais assuntos referentes às máquinas elétricas, como os conceitos básicos de eletromagnetismo, as propriedades magnéticas dos materiais, bobinas e circuitos elétricos. Explica os diversos tipos de motores e geradores, como os de corrente contínua e de corrente alternada (síncronos e assíncronos), motores especiais, universal, de repulsão e de campo distorcido. Aborda os servomotores e seu funcionamento. Por fim, discorre sobre os métodos de partida de motores CA por controles eletrônicos ou eletromecânicos, a partir da utilização de soft-starter e inversores de frequência.

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Apresentação

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Apresentação

Hoje, o técnico em Eletrotécnica e em Eletrônica deve estar familiarizado com diversos tipos de máquinas elétricas e preparado para trabalhar com, por exemplo, motores de passo, servomotores, motores de corrente contínua e alternada, geradores de corrente contínua e alternada nos mais diversos cenários, além de contar com tecnologias de controle, como os acionamentos eletromecânicos e as partidas por soft-starter e inversores de frequência.

Desde aplicações em alta potência, como em pontes rolantes, máquinas ferramentas, até robótica, microrrobótica e sistemas embarcados, são empregados os conhecimentos discutidos e apresentados nesta obra.

Este livro possui oito capítulos, nos quais o conhecimento é apresentado de forma gradual, permitindo ao leitor familiarizar-se e aprender de maneira contínua e natural.

O Capítulo 1 aborda os conceitos básicos de eletromagnetismo, as propriedades magnéticas dos materiais e as suas aplicações. Tais conceitos são fundamentais para a compreensão dos capítulos posteriores, como no estudo de motores e de geradores operando em correntes contínua e alternada.

 

1.1 Conceitos gerais

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1

Eletromagnetismo

Para começar

Neste capítulo serão esclarecidos os conceitos básicos de eletromagnetismo, empregados no estudo de motores e de geradores operando em corrente contínua e corrente alternada. O conteúdo discutido será de suma importância na hora de analisar e entender como as forças e os campos magnéticos interagem nas máquinas elétricas.

1.1 Conceitos gerais

Para se entender o eletromagnetismo, é necessário esclarecer o conceito de magnetismo. O efeito magnético é gerado naturalmente por um minério chamado magnetita. Esse minério foi descoberto, por acaso, há mais de 2500 anos, quando um pastor, que caminhava em uma região da Ásia chamada Magnésia, percebeu que algumas pedras (tetróxido de triferro – Fe3O4) estavam grudadas nos pregos de suas sandálias e na ponta de seu cajado, que eram feitos de metal. Em homenagem à

área em que foram encontradas essas pedras, esse minério de ferro foi chamado magnetita, sendo que os ímãs também são chamados magnetos.

 

1.2 Ímã

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1.2 Ímã

Inicialmente, todos os materiais magnéticos provinham da magnetita, ou seja, eram ímãs naturais. Os ímãs são compostos por materiais ferromagnéticos capazes de atrair outros materiais ferromagnéticos. Com o passar dos anos, novas tecnologias de fabricação permitiram obter materiais imantados artificialmente, com maior capacidade magnética, ou seja, materiais com campo magnético mais intenso.

Teoricamente, qualquer corpo não imantado pode se tornar um ímã, mas a maioria dos corpos oferece grande resistência a esse processo de imantação. Os corpos que se imantam com grande facilidade são o ferro e algumas ligas de ferro usadas na fabricação de ímãs permanentes. Uma dessas ligas é o alnico, composta de ferro, alumínio, níquel, cobre e cobalto. Dentre os processos de imantação, destacam-se os processos por atrito, por indução magnética e por passagem de corrente elétrica.

Dependendo da constituição química do material imantado artificialmente, a propriedade magnética do material pode permanecer ativa por muitos anos (ímãs permanentes) ou por pouco tempo após a imantação (ímãs transitórios). Os ímãs naturais são exemplos de ímãs permanentes e os eletroímãs são exemplos de ímãs transitórios.

 

1.3 Propriedades magnéticas dos materiais

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1.3 Propriedades magnéticas dos materiais

Todas as substâncias (sólidas, líquidas ou gasosas) apresentam característica magnética, ou seja, o magnetismo é uma propriedade básica de qualquer material e tem sua origem na estrutura eletrônica dos átomos, mais especificamente o momento angular orbital do elétron e o momento angular do spin do elétron (sentido de rotação do elétron), conforme apresentado na Figura 1.4.

Figura 1.4 – Momento angular orbital (a) e momento angular do spin do elétron (b).

1.3.1 Classificação dos materiais

Os materiais podem ser classificados de acordo com as suas propriedades magnéticas, sendo divididos em cinco grupos:

1) Materiais ferromagnéticos: são os materiais que se mantêm magnetizados após a retirada do campo de magnetização, criando-se ímãs permanentes. Por exemplo: ferro, níquel e cobalto.

2) Materiais paramagnéticos: são aqueles que perdem seu campo magnético quando é retirado o campo de magnetização, ou seja, esses materiais têm que permanecer sob a atuação de um campo magnético para que ocorra a magnetização. Por exemplo: alumínio, titânio e platina.

 

1.4 Princípios eletromagnéticos

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1.4 Princípios eletromagnéticos

Em 1820, teve início o estudo do eletromagnetismo com a clássica experiência do físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1771-1851). Nessa experiência foi verificado que, ao se colocar uma bússola próxima a um fio em que circula uma corrente elétrica, ocorre um desvio na direção da agulha dessa bússola. A partir dessa experiência, foi estabelecida uma relação entre as propriedades elétricas e magnéticas, dando origem ao eletromagnetismo. Ao se montar essa experiência, uma corrente elétrica percorre um condutor e gera linhas de campo magnético, circulares e concêntricas, segundo a regra da mão direita, em que o polegar indica o sentido da corrente elétrica no condutor e os demais dedos indicarão a curvatura do campo ao redor do fio, definindo a direção das linhas do campo (Figura 1.5).

Figura 1.5 – Linhas de campo magnético (a) e regra da mão direita (b).

Fique de olho!

No decorrer deste tópico serão utilizadas unidades nos sistemas SI e CGS. O sistema CGS de unidades é um acrônimo maiúsculo para centímetro-grama-segundo. É o sistema de unidades físicas primordial que precedeu o Sistema Internacional de Unidades (SI). O Sistema CGS ainda é muito usado em várias áreas, inclusive no eletromagnetismo, em que diversas fórmulas são mais simples em unidades CGS.

 

1.5 Bobinas e circuitos magnéticos

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Figura 1.6 – Ângulo de inclinação da superfície (θ).

Neste caso (Equação 1.3):

φ = B × A × cos θ

(1.3)

Quando a superfície for plana, ou seja, θ = 0º (Equação 1.4):

φ=B×A

(1.4)

Sendo:

φ = fluxo magnético total ou fluxo de indução magnética (Wb).

B = densidade de fluxo magnético ou indução magnética (T ou Wb/m2).

A = área da superfície (m2).

Tabela 1.2 – Resumo das unidades

Fluxo magnético (φ)

Densidade de magnético ou indução magnética (B)

MKS

Wb (weber)

T ou Wb/m2

CGS

Mx (maxwell) ou linhas

Mx/cm2; linhas/cm2; gauss

1.5 Bobinas e circuitos magnéticos

Circuitos magnéticos são caminhos fechados por onde circula um fluxo magnético φ, com ponto de partida definido no Polo Norte e de chegada ao Polo Sul, constituído por um ou mais materiais e uma fonte, geralmente uma bobina de indução eletromagnética que gera uma força magnetomotriz (FMM).

Eletromagnetismo

 

Agora é com você!

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Vamos recapitular?

Este capítulo esclareceu os conceitos fundamentais do eletromagnetismo. Foi explorado o funcionamento dos circuitos magnéticos, comentado como o campo magnético funciona, o que é um ímã, as propriedades magnéticas dos materiais e a classificação quanto à sua afinidade ao magnetismo.

O eletromagnetismo foi fundamentado de maneira clara e sintetizada, explorando conceitos como permeabilidade, fluxo magnético, intensidade do campo magnético e indução magnética. Além disso, também foram vistos conceitos relativos à histerese e à relutância magnética, bem como ao material utilizado como núcleo.

Por fim, foi feita uma analogia, de forma didática, dos circuitos magnéticos com os circuitos na

área elétrica.

Agora é com você!

1) O que é magnetismo?

2) De acordo com as propriedades magnéticas, como podemos classificar os materiais?

3) Pesquise sobre o experimento de Oersted e comente suas conclusões.

4) O que é permeabilidade magnética?

 

2.1 Conceitos gerais

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2

Motores de

Corrente Contínua

Para começar

Trataremos agora do funcionamento dos motores alimentados por corrente contínua (CC) ou, simplificadamente, motores CC. Nesses motores, a corrente elétrica é transformada em energia mecânica por meio de forças geradas por campos eletromagnéticos, como fundamentado no capítulo anterior.

Serão comentados os diversos tipos de motores CC, os modos de ligação e excitação de suas bobinas, além de diferentes maneiras de controlar sua velocidade de rotação.

2.1 Conceitos gerais

Um motor de corrente contínua (CC) é uma máquina elétrica rotativa que gera um movimento mecânico quando alimentado por corrente contínua. Dessa forma, torna-se necessário revisar o conceito de CC. Uma corrente elétrica é considerada contínua quando o seu sentido não se altera com o decorrer do tempo, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa.

A corrente contínua é o movimento ordenado das cargas elétricas presentes em um condutor metálico. Essa organização de movimento acontece quando se cria um campo elétrico dentro desse condutor, fazendo com que seus elétrons livres desenvolvam esse movimento ordenado, ou seja, é um fluxo constante das cargas elétricas de um potencial mais alto para um mais baixo.

 

2.2 Aspectos construtivos do motor CC

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Em um motor CC, a corrente elétrica gera polos eletromagnéticos a partir da energização dos enrolamentos do motor e, consequentemente, a força magnetomotriz, que induzirá o eixo do motor a girar, produzindo energia mecânica.

O controle de velocidade é facilmente feito nos motores CC, com manutenção de alto torque, inclusive na partida e em baixas rotações. Infelizmente, a manutenção desse tipo de motor é muito complexa, exigindo conhecimento e planejamento constante de verificações de funcionamento e manutenção preventiva. Devido à característica de manutenção de torque, esse tipo de motor é muito utilizado em diversas máquinas industriais, como: laminadoras, extrusoras, prensas, elevadores, pontes rolantes, movimentação de cargas, entre outras.

2.2 Aspectos construtivos do motor CC

O motor CC é constituído por duas estruturas magnéticas principais, sendo elas: um estator, que é um enrolamento ou um ímã permanente, e um rotor composto por um enrolamento de armadura (Figura 2.1), sendo V a tensão de alimentação do rotor e Vf a tensão de alimentação do estator.

 

2.3 Funcionamento de um motor CC

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Foto: Arquivos

Figura 2.3 – Motor CC: armadura (B), comutador (C) e escovas (D).

Amplie seus conhecimentos

Os polos de comutação estão localizados entre os polos principais, exatamente sobre as bobinas que estão em processo de comutação. São muito utilizados por sua alta eficiência e baixo custo.

Os enrolamentos compensadores são empregados em máquinas de maior porte e seu principal efeito é a diminuição das altas tensões geradas com a variação do fluxo da armadura. Com variações rápidas de cargas, são geradas altas tensões nas bobinas e, consequentemente, entre as lâminas do comutador. Para saber mais sobre o tema, acesse o link:

.

2.3 Funcionamento de um motor CC

Para demonstrar o princípio de funcionamento de um motor CC, cada rotação do motor será dividida em três estágios. O motor CC é representado por um equivalente, mais simples, no qual o estator é constituído por dois ímãs permanentes e o rotor é uma espira de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica, sendo a sua alimentação feita por um sistema comutador-escova.

 

2.4 Excitação dos motores CC

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Após o terceiro estágio, a inércia da rotação inicial garante que o rotor continue o seu movimento, passando por uma posição intermediária, semelhante ao segundo estágio, e retornando à primeira posição estudada. A rotação do motor continua indefinidamente, até que seja cortada a alimentação da espira (rotor).

Fique de olho!

As conexões elétricas de um motor CC devem ser feitas de maneira muito criteriosa, seguindo as instruções fornecidas pelo fabricante. Para isso, deve-se ter conhecimento das especificações técnicas do motor, tipo de aplicação, tensões de alimentação e modo de excitação. Todas as bobinas (enrolamentos) devem estar identificadas, o que normalmente acontece em um motor novo.

Caso não haja marcação dos enrolamentos, devem-se realizar medidas em bancada, iniciando a identificação da armadura e do estator, feitas geralmente por meio do teste de continuidade. Lembre-se de que o estator em série possui menor resistência (poucas espiras, maior diâmetro) do que o estator em paralelo (muitas espiras, menor diâmetro).

 

2.5 Equações da máquina CC

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2.5 Equações da máquina CC

Algumas equações podem ser utilizadas para se calcular as constantes envolvidas no uso de um motor CC, dentre elas, destacam-se:

Tensão nos terminais da armadura:

V = E + Ia × Ra

Força contraeletromotriz:

FCEM = K1 × N × φ

Torque ou conjugado:

T = K2 × Ia × φ

Fluxo magnético (φ):

φ = K3 × Ic

Potência mecânica:

P = T × N = E × Ia

Velocidade de rotação da armadura: N = V − (Ia × Ra)/K1 × φ em que:

Ia = corrente da armadura (A).

Ic = corrente de campo (A).

Ra = resistência da armadura (Ω).

N = velocidade (rad/s).

K1, K2 e K3 = constantes do motor.

Vamos recapitular?

Neste capítulo foram apresentados o motor CC e suas principais partes (armadura, estator, comutador e escovas). A armadura é o rotor do motor, ou seja, o eixo que entrega a energia mecânica gerada.

O estator pode ser de ímãs permanentes ou feito de enrolamentos de fio esmaltado. O comutador é o responsável por manter o fluxo magnético sempre constante e as escovas são responsáveis pela alimentação elétrica das bobinas do rotor.

 

Agora é com você!

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Agora é com você!

1)

Quais são as partes principais de um motor CC?

2)

Mostre, com diagramas, como funciona um motor CC.

3)

Pesquise sobre o funcionamento de um eletroímã e, se possível, tente montar um.

4)

Como funciona o sistema comutador-escova em um motor CC?

5)

Como se pode controlar a velocidade de um motor CC?

6)

Como você inverteria o sentido de rotação dos motores CC?

7)

Quais são as diferenças entre as bobinas de série e paralelo e como funcionam?

8)

Qual é a diferença de funcionamento entre um motor composto cumulativo e o diferencial?

9)

Quais são as formas de se regular a velocidade em um motor CC de excitação independente?

10) Um motor shunt alimentado por uma linha de 220 V tem uma corrente de armadura de 50 A. Se a resistência do circuito de campo for de 100 Ω, quais serão a corrente do campo, a corrente na linha e a potência de entrada no motor?

11) Um motor desenvolve um conjugado de 300 N.m sob dadas condições de fluxo e corrente de armadura. Calcule o conjugado quando a corrente de armadura cair 15% e o fluxo aumentar 5%.

 

3.1 Introdução aos geradores CC

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3

Geradores de

Corrente Contínua

Para começar

No capítulo anterior foi estudado o princípio de funcionamento dos motores de corrente contínua

(CC). Vale ressaltar que os geradores CC seguem o mesmo princípio de funcionamento de um motor

CC, mas, dessa vez, gerando corrente. Este capítulo trata do funcionamento desse tipo de máquina, em que o movimento mecânico rotacional do eixo do gerador induz uma diferença de potencial e uma corrente elétrica. Essa indução elétrica faz-se a partir da movimentação de condutores elétricos em um campo magnético (Lei da Indução de Faraday). Também serão citados os principais tipos de geradores CC, os modos de ligação e a forma de geração de energia.

3.1 Introdução aos geradores CC

Os geradores CC podem ser divididos em três principais partes: armadura (parte girante do gerador), estator (parte fixa) e o conjunto comutador-escova (responsável pela ligação elétrica da armadura).

Para se produzir energia elétrica, primeiro deve-se criar um campo magnético no interior da máquina CC. Esse campo é gerado com passagem de uma corrente elétrica através do enrolamento do estator. O campo magnético gerado será responsável pela excitação magnética da armadura. Por isso, a tensão de alimentação do estator também é conhecida como tensão de excitação do gerador.

 

3.2 Características construtivas e funcionais de um gerador CC

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Amplie seus conhecimentos

Oersted demonstrou que uma corrente elétrica, passando por um condutor, gera um campo magnético à sua volta. Com base nisso, muitos físicos da época iniciaram estudos pensando de forma contrária, isto é, imaginaram se um campo magnético poderia induzir uma corrente elétrica em um condutor. Após vários experimentos, Faraday conseguiu comprovar que era possível um campo magnético gerar uma corrente elétrica.

O fator determinante na geração da corrente elétrica é a variação do número de linhas de campo magnético que cortam as espiras do enrolamento, ou seja, a variação do fluxo magnético em cada espira. Portanto, com uma simples movimentação de um ímã, próximo a uma espira, é possível produzir corrente elétrica. A produção de corrente elétrica por campos magnéticos recebeu o nome de indução eletromagnética e a corrente gerada por meio desse processo é chamada de corrente induzida. Para saber mais sobre este tema, acesse: .

 

3.3 Classificação de geradores CC

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A tensão induzida gerada (EA) é dada pela Equação 3.1:

EA = K × ω × φ

(3.1)

em que:

EA = tensão induzida, gerada internamente.

K = constante que depende dos aspectos construtivos da máquina.

ω = velocidade de rotação da armadura.

φ = fluxo magnético produzido pelo enrolamento de campo.

A corrente de campo, que circula pelo enrolamento de campo, produz uma força magnetomotriz dada pela Equação 3.2:

FMM = NC × IC

(3.2)

em que:

FMM = força magnetomotriz gerada pelo enrolamento de campo.

NC = número de espiras do enrolamento de campo.

IC = corrente que circula pelo enrolamento de campo.

A FMM produz um fluxo magnético de acordo com a sua curva de magnetização. Como a tensão interna gerada (EA) depende do fluxo magnético, é comum traçar um gráfico relacionando EA à corrente de campo, sendo essa relação não linear.

3.3 Classificação de geradores CC

Para estudar os tipos de geradores, não serão mais mostrados ímãs como geradores de campo.

 

Agora é com você!

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Agora é com você!

1)

O que é um gerador de corrente contínua?

2)

Em quais partes principais podemos dividir um gerador CC?

3)

Como funciona o sistema comutador-escova em um gerador CC?

4)

Pesquise onde são utilizados os geradores CC e quais tipos de máquinas poderiam ser projetadas na geração de energia em um local isolado.

5)

Quais são os principais tipos de geradores CC?

6)

Como podemos controlar a intensidade do campo em um gerador de excitação independente?

7)

Explique em poucas palavras qual é a relação do número de espiras do enrolamento série com a carga elétrica em um gerador composto.

8)

Quais são as diferenças entre as bobinas de série e paralelo e como funcionam?

9)

Qual é a diferença de funcionamento entre um gerador CC composto cumulativo e o diferencial?

10) Pesquise quais são os tipos de reostatos existentes e como funcionam quando empregados no controle dos enrolamentos série e shunt em geradores CC.

 

4.1 Conceitos básicos

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Motores de

Corrente Alternada

Para começar

Este capítulo dedica-se a estudar os principais tipos de motores de corrente alternada, conhecidos como motores CA. Serão descritos seu princípio de funcionamento, número de polos, identificação das bobinas, fechamento e aplicações.

O motor elétrico CA é um equipamento rotativo que funciona gerando um movimento rotacional em seu eixo, a partir da circulação de uma corrente elétrica alternada em seus enrolamentos. A base do funcionamento desse motor é o eletromagnetismo, explicado anteriormente.

4.1 Conceitos básicos

Os motores CA têm características de funcionamento semelhantes às dos motores CC, mas com menos possibilidade de defeitos, pois os motores CA não possuem alguns de seus componentes.

Por exemplo, eles não utilizam o sistema comutador-escova, não apresentam porta-escovas, ou seja, não possuem comutação. Vários motores CA também não utilizam anéis coletores, isto é, são livres de falhas por um período maior de tempo. São muitas as vantagens dos motores CA em comparação aos CC. Entre elas, destacam-se:

 

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