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Resp.:
1,3 - 6,4 o^ p.u.
- [exercício 6.26-Máquinas Elétricas, Syed A. Nasar, 1984] Um gerador síncrono de rotor cilíndrico, trifásico, 3300V, 1000KVA, 60 Hz, 4 pólos, ligação em estrela. Tem uma reatância síncrona de 1Ω/fase; a reatância da armadura é desprezível. O gerador está operando a plena carga com FP = 0,8 indutivo, numa barra infinita. Calcule a potência sincronizante por fase, se um distúrbio causa uma variação de 1º mecânico no ângulo de carga.
Resp.: 115 KW
- Um gerador síncrono de rotor cilíndrico, trifásico, 1000KVA, 2,3KV, ligação em estrela, 60 HZ, 4 pólos, tem uma reatância síncrona de 6Ω/fase e uma resistência de armadura de 0,5Ω/fase. Está operando em paralelo com um barramento de tensão da rede. A corrente de excitação foi ajustada para condição nominal e com fator de potência unitário. Determinar: a) Vo e o ângulo de carga para esta situação. b) Novos valores de Vo, , da potência ativa, Ia e do novo FP devido um acréscimo da corrente de excitação de 20%.
c) Novos valores de Vo, , da potência ativa, Ia e do novo FP devido um acréscimo do conjugado da máquina através do controle da vazão da água de 10%. A máquina estava na condição inicial.
Resp.:
a) 2093,04 46,02 o^ V b) 2511,65 36,84 o^ V c) 2093,04 52,33 o^ V; 1100KW; 275,29 6,45 o^ A;
0,99 capacitivo d) 2511,65 36,84 o^ V; 1000KW; 274,29 - 19,61 o^ A; 0,94 indutivo
Um motor síncrono está operando com plena carga com um fator de potência, tal que a corrente está atrasada de 45º. Quais são os efeitos sobre: o ângulo de defasagem, a corrente de armadura, o ângulo de carga e a velocidade do motor quando. a) A corrente de campo é aumentada de 20 % e a tensão terminal é mantida constante. b) A corrente de campo é mantida constante e a tensão terminal é aumentada de 15%.
Um gerador síncrono trifásico, ligado em estrela, 60Hz, 13500V, resistência de armadura de 1,52/fase e reatância síncrona de 37,4/fase está operando com uma carga nominal de 2000HP. Para essa carga o rendimento do gerador é de 96% e a corrente do barramento é 85A adiantada. Determinar: a) O fator de potência do barramento. b) A tensão interna na armadura Vo. c) A regulação de tensão. d) O diagrama fasorial.
Resp.:
a) 0,75 adiantado b) 10253 12,97 o^ V c) 31,54%
- a)Descreva os aspectos da máquina assíncrona. b) Explique por que um motor síncrono não tem torque de partida. c) Explique por que um motor síncrono ou funciona à velocidade síncrona ou não funciona. d) Explique como o ângulo de potência pode caracterizar o funcionamento da máquina síncrona como motor ou gerador. Utiliza diagrama fasorial. e) Explique como a corrente de excitação influencia no comportamento da máquina síncrona quando funcionando como motor. Utilize diagrama fasorial. f) Comente sobre a curv “V” do motor síncrono. g) Explique o comportamento do gerador síncrono para diferentes tipos de carga (resistiva, indutiva, capacitiva). Utiliza gráfico Iexc. vs. ILinha.
6. MÁQUINAS ASSÍNCRONAS
A primeira indicação de que poderia haver um intercâmbio entre energia mecânica e energia elétrica foi mostrada por Michael Faraday em 1831, através da lei da indução eletromagnética, considerada uma das maiores descoberta individuais para o progresso da ciência e aperfeiçoamento da humanidade. Baseando-se nos estudos de Faraday, o físico Galileu Ferraris, em 1885, desenvolveu o motor elétrico assíncrono de corrente alternada. Com uma construção simples, versátil e de baixo custo, aliado ao fato de utilizar como fonte de alimentação a energia elétrica, o motor elétrico é hoje o meio mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica.
6.1 Tipos de Motores
Através dos tempos, foram desenvolvidos vários tipos de motores elétricos para atender as necessidades do mercado. A figura 6.1 apresenta de um modo geral os diversos tipos de motores atualmente existentes.
Fig. 6.1 Tipos de Motores.
6.2 Motores de Indução Trifásicos - Motores Assíncronos
De todos os tipos de motores elétricos existentes, este é o mais simples e robusto. É constituído basicamente de dois conjuntos: estator bobinado e conjunto do rotor. O nome “motor de indução” se deriva do fato de que as correntes que circulam no secundário (rotor) são induzidas por correntes alternadas que circulam no primário (estator). Os efeitos eletromagnéticos combinados das correntes do estator e do rotor produzem a força que gera o movimento. A figura 6.2 nos permite visualizar um motor de indução em corte. Já a figura 6.3 mostra apenas a carcaça de um motor de indução.
Entende-se por um campo girante, um campo magnético cujos pólos com enrolamento estático, mudam de posição girando, na periferia de uma máquina. Se for constituído igualmente no rotor da máquina um campo magnético, então os pólos contrários do rotor são atraídos pelos pólos do estator e arrastados por este no seu movimento de deslocamento, sobre a periferia do estator. Com isto gira também o rotor. Pelo fato de os motores trifásicos basearem o seu funcionamento neste princípio, são chamados de motores de campo girante.
6.3.1 A formação do campo girante
Para a formação de um campo girante homogêneo, duas condições devem ser satisfeitas: O estator do motor deve ser dotado de três bobinas deslocadas de 120. Nas três bobinas do estator devem circular três correntes alternadas senoidais, que devem ter entre si um deslocamento de fase de 120, ou seja 1/3 de período. Esta é a corrente trifásica, como a que é gerada num gerador trifásico. A figura 6.4 apresenta as correntes trifásicas que serão injetadas nas bobinas do estator.
Fig. 6.4 Correntes trifásicas defasadas de 120o.
Quando um enrolamento monofásico é percorrido por uma corrente alternada, cria-se ao redor deste um campo magnético alternado fixo, cuja intensidade varia proporcionalmente a corrente. Como sua orientação norte-sul é sempre a mesma, diz-se que o campo magnético criado é pulsante. Porém, quando três enrolamentos defasados de 120 no espaço são percorridos por correntes defasadas de 120 no tempo (caso das correntes dos sistemas de alimentação trifásica), o campo magnético criado é girante, ou seja, sua orientação norte-sul gira continuamente e sua intensidade é constante. Este campo magnético girante se forma em cada instante, devido a combinação de cada um dos campos magnéticos criados por cada enrolamento monofásico. A figura 6.5 ilustra o estator com seis ranhuras, o qual será utilizado para demonstrar a maneira como se produz um campo girante, para tal, será adotado a construção do enrolamento trifásico de passo pleno para a constituição de dois pólos magnéticos, conforme apresentado na figura 6.6.
Fig. 6.5 Ilustração do estator com seis ranhuras.
Fig. 6.6 Constituição do enrolamento trifásico de 2 pólos, passo pleno.
As correntes trifásicas variam instantaneamente, consequentemente os fluxos magnéticos produzidos por elas também variam instantaneamente, sendo que o fluxo magnético resultante é a soma fasorial dos três. As figuras 6.7, 6.8 e 6.9 ilustram essa composição paras os instantes t 1 , t 2 e t 3.
Fig. 6.7 Campo magnético estabelecido para o instante t 1 , 2 pólos, passo pleno.
ilustra os campos magnéticos estabelecidos no instante t 3 em função de cada corrente aplicada e o campo magnético resultante.
Fig. 6.10 Campo magnético estabelecido para o instante t 3 , 2 pólos, passo pleno.
A constituição do campo magnético girante foi demonstrada do instante t 1 ao t 3 , mas o processo para a demonstração para os demais instantes é análoga, dessa forma é possível concluir que:
1 Ciclo de corrente 1 Ciclo de fluxo magnético 1 volta do campo magnético girante
Enrolamento de 2 pólos (P=2) Frequência da corrente = Velocidade do campo magnético (Ns)
Assim, a velocidade do campo magnético girante ou velocidade síncrona Ns, é:
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
RPM
P
f
N
RPS
P
f
N
RPS
P
f
N
N f RPS
s
s
s
s
[6.1]
6.4 Princípio de Funcionamento
O estator compõe-se de um núcleo de chapas magnéticas, que são dotadas de certo número de ranhuras, para receber o enrolamento trifásico. O rotor do tipo tambor é, tal como o estator, obtido pela justaposição de chapas magnéticas, e também ranhurado para receber o enrolamento do rotor, convenientemente distribuído. Partida: ligando-se o enrolamento trifásico à tensão, então, gira o campo girante no enrolamento do estator à plena velocidade (ns). Sua influência se faz sentir também sobre o enrolamento do rotor e induz neste, sucessivamente, tensões alternadas com a frequência da rede. As correntes que se estabelecem nas bobinas, estão defasadas entre si, e originam no rotor um campo comum, girante, cujos pólos de nome contrário estão atrasados de 90 em relação aos do campo girante do estator, como se pode concluir da figura 6.7,
aplicando-se a regra da mão direita. Desta forma, é possível, já na fase de partida, desenvolver um conjugado constante entre os pólos do estator e do rotor, cuja grandeza é da ordem de 2 a 3 vezes o conjugado nominal, que é capaz de vencer a inércia da massa do rotor e da carga plena, e também de colocar em movimento o rotor a partir do seu estado de repouso. Observando-se que o rotor se move no sentido da rotação do campo girante, a velocidade relativa dos dois campos na fase inicial cada vez se aproxima mais, ou seja, a diferença de velocidade se reduz sucessivamente. Como a tensão induzida é consequência do corte entre os dois campos presentes, a redução da diferença de velocidade reduz a tensão, a frequência, a corrente e o campo do rotor e com isto o conjugado, são reduzidos, chegando a zero perante a velocidade síncrona. Entretanto, se sobre o rotor age um conjugado, então este se retarda em relação ao campo girante, elevando consequentemente a diferença de velocidades. Somente por meio deste retardo induz-se tensão nos enrolamentos do rotor e com isto se torna possível a existência de um campo de rotor e um conjugado. O rotor, portanto, não deve ter uma rotação síncrona, motivo pelo qual este tipo de motor é chamado de motor assíncrono. A diferença de rotação entre o rotor e o campo girante é chamado de escorregamento , e sua indicação é feita em porcentagem da rotação do campo girante do estator; na partida seu valor é de 100%. Nos motores assíncronos, o campo girante do estator tem duas funções:
- Criação de uma tensão no rotor por indução, para constituição do campo girante do rotor.
- Criação de um conjugado, conjuntamente com o campo girante do rotor, para deslocar o rotor e a carga. O enrolamento do estator pode por isto ser considerado análogo ao enrolamento primário de um transformador e o enrolamento secundário análogo ao enrolamento do rotor. Motores assíncronos são também chamados de motores de indução. No instante da partida forma-se no rotor, em virtude do escorregamento 100%, a tensão mais elevada possível e com isto uma corrente muito elevada, um campo intenso e o já mencionado conjugado de partida elevado. O motor nesta situação equivale a um transformador com o secundário curto-circuitado; a corrente de partida é por isto igual à corrente de curto-circuito e resulta assim de 3 a 8 vezes maior que a corrente nominal. Em Vazio: em vazio, o escorregamento apenas é de algumas rotações, em virtude da pequena carga presente. Tensão, frequência (menor que 1Hz), corrente e campo no rotor são por isto muito pequenos. Apesar disto, o estator, devido a sua plena magnetização absorve, em motores grandes até 30%, em motores pequenos cerca de 60% da corrente nominal da rede (da qual 90% é corrente reativa). Sob Carga: sob carga, a rotação se reduz em virtude das resistências mecânicas encontradas, com o que entretanto o escorregamento se eleva. Com carga nominal, seu valor é de 3 a 5%. Como consequência da elevação do escorregamento, eleva-se a tensão e acorrente do rotor, com isto, forma-se um campo mais forte e um conjugado mais potente para vencer o conjugado de carga. A rotação entretanto apenas cai pouco, pois uma maior carga pelo aumento do escorregamento, irá criar um conjugado mais elevado. Apenas nas condições de sobrecarga é que o escorregamento de eleva acentuadamente, o motor desenvolve o seu conjugado máximo, porém a rotação mesmo assim cai e o rotor pára. O escorregamento máximo é de cerca de 20 a 30%, sendo o valor do conjugado máximo estabelecido por Norma. A figura 6.14, mostra uma variação característica de conjugado, velocidade e escorregamento nas condições de partida, carga e sobrecarga. Escorregamento, tensão no rotor e frequência do rotor (também chamados de tensões de escorregamento e frequência de escorregamento), são os máximos na partida, os menores em vazio e crescem com o aumento de carga até seu valor máximo. As figuras 6.11, 6.12 e 6.13, ilustram um motor assíncrono em corte, distribuição das correntes trifásicas no estator e consequentemente campos magnéticos no estator e no rotor, e detalhes do estator, respectivamente.
Fig. 6.11 Corte de um motor assíncrono bipolar.
Fig. 6.14 Curva característica de um motor assíncrono.
6.5 Motor com Rotor em Curto-Circuito
Motores com rotor em curto-circuito são motores assíncronos com as bobinas do rotor em curto- circuito. As correntes de curto-circuito que aparecem no rotor, criam um campo girante muito intenso, que adota a polaridade do campo girante do estator. Os lados das bobinas são barras maciças, os anéis de curto-circuito formando a cabeça da bobina, reúnem as ditas bobinas em um enrolamento. Este tipo de enrolamento, que é apresentado na figura 6.15, é chamado de “gaiola” e o motor é denominado como “rotor tipo gaiola”. A gaiola é frequentemente fabricada pela injeção de alumínio puro nas ranhuras, onde os anéis de curto circuito e as barras, formam uma peça única e intimamente ligadas com o pacote magnético do rotor. As ranhuras e com isto as barras, em motores de curto-circuito normais, são de seção circular ou em forma de gota, de acordo com a figura 6.16. Para melhorar as características de partida, o eixo das ranhuras não é paralelo ao eixo do rotor, mas sim deslocado de uma ranhura em relação a este.
6.5.1 Características do motor com rotor em curto-circuito
a) Construção fácil e robusta; em virtude da transmissão indutiva da potência de excitação sobre o rotor, não há passagem de corrente de peças fixas sobre peças móveis. Disto resulta, na compra e na utilização de um motor mais barato e com pouca manutenção. b) Possibilidade de partida sob plena carga, pois na partida está presente um conjugado de 2 a 2, vezes maior que o conjugado nominal. c) Conjugado máximo maior que o conjugado de partida de partida, e por isto à prova de picos de carga e de sobrecarga. d) A rotação se altera pouco perante a variação de carga (característica paralela). e) Bom rendimento e fator de potência (cerca de 0,8). f) Mudando a ligação do enrolamento do estator, de estrela para triângulo, é possível o emprego deste motor em duas redes de tensão por fase, na relação 1:1,173, (por exemplo 220/380V), mantendo a potência e as mesmas condições de serviço. Recomenda-se porém, para potências pequenas, a ligação em estrela, e para potências grandes em tensões mais elevadas (440V), a ligação triângulo. g) A corrente de partida destes motores com rotor curto-circuitado é da ordem de 5 a 8 vezes o valor da corrente nominal. Note-se que, quanto menor o número de pólos, maior a corrente. Por esta razão, as empresas concessionárias de energia elétrica, limitam a potência máxima destes motores diretamente ligados a rede, girando o seu valor normalmente em torno de 5CV. A maneira mais simples de limitar a corrente de partida é pelo emprego de uma chave estrela-triângulo.
Fig. 6.15 Gaiola do motor em curto-circuito.
Fig. 6.16 Formas de ranhura para rotores.
6.5.2 Motor com rotor em curto-circuito com ranhuras especiais
Devido a elevada tensão no estator, em virtude do escorregamento e a correspondente corrente de curto-circuito, os motores em curto-circuito apresentam, na partida, uma elevada potência de curto- circuito, que tem que ser retirada da rede mediante uma elevada corrente que passa pelo estator. Em vez de reduzir a corrente do estator por uma limitação de tensão, enfraquecendo assim o campo girante do estator e o conjugado de partida, é mais indicado reduzir a corrente de curto-circuito do rotor no local onde esta aparece, pela elevação da resistência do rotor. Isto é possível por uma configuração especial do enrolamento ou das ranhuras do rotor, (motores de ranhura especial), ou pela inclusão de resistores no circuito aberto de corrente do rotor (rotor de anéis). Neste caso, obtém-se um elevado conjugado de partida com pequenas correntes, podendo influir decisivamente na característica do conjugado, e na relação entre o conjugado de partida de aceleração e do seu valor máximo e o conjugado a plena carga.
