Maquinas eletricas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ABC DAS M ÁQUINAS E LÉCTRICAS

Mário Ferreira Alves ([email protected]) Departamento de Engenharia Electrotécnica Março de 2003

Prefácio

Actualmente, podemos considerar as máquinas eléctricas (motores, geradores e transformadores) como parte integrante do nosso dia-a-dia. Os motores eléctricos, que podem utilizar-se tanto em aplicações de força motriz como em aplicações de tracção eléctrica, vulgarizaram-se de tal forma que podemos encontrá-los em aplicações tão diversas como uma máquina industrial de corte, um ascensor ou um aspirador.

Os geradores (alternadores e dínamos) podem encontrar-se nas centrais produtoras de energia eléctrica (hidroeléctricas, termoeléctricas (diesel, carvão, nucleares), eólicas, maremotrizes, etc.), hospitais e certos tipos de indústrias, ou mesmo num automóvel, mota ou bicicleta, por exemplo. Os transformadores são também largamente utilizados, tanto nos sistemas de transporte e distribuição de energia eléctrica, como em aplicações de domínio doméstico, tais como carregadores de bateria, telefones portáteis, candeeiros de lâmpadas de halogénio e muitas outras.

Também no domínio dos transportes, existem inúmeras aplicações das máquinas eléctricas. Como se sabe, os veículos cuja tracção resulta do movimento de um motor de combustão interna, necessitam, para o seu funcionamento, de máquinas eléctricas tais como o alternador, o motor de arranque e a “bobina” de ignição.

Sendo os veículos de tracção eléctrica uma realidade no que respeita aos transportes ferroviários, são também já uma grande aposta por parte do fabricantes de veículos rodoviários, nomeadamente automóveis, motas e bicicletas. Esta tracção é obviamente obtida a partir do movimento de rotação de um motor eléctrico (corrente contínua ou alternada). Refira-se também que o transporte de materiais em ambiente industrial é quase totalmente constituído por veículos eléctricos, quer sejam guiados por um operador (empilhadores), guiados automaticamente (AGV - Automatic Guided Vehicles) ou autónomos (robôs).

O estudo das máquinas eléctricas mostra-se então de grande importância para os cursos de engenharia, desde a Engenharia Mecânica (nomeadamente o ramo de Transportes), até à Engenharia Electrotécnica, que lhes deve dedicar um estudo mais aprofundado.

Para se perceber o funcionamento das máquinas eléctricas, é fundamental que se compreendam os princípios do electromagnetismo. Esta sebenta começa por introduzir conceitos relacionados com os Campo Eléctricos e Magnéticos. Depois, são abordados a transformação de energia mecânica em energia eléctrica (princípio de funcionamento dos geradores), a transformação de tensão/corrente eléctrica (princípio de funcionamento dos transformadores) e a transformação de energia eléctrica em energia mecânica (princípio de funcionamento dos motores).

Neste contexto, é fundamental perceber as características principais das máquinas eléctricas, sendo estas classificadas quanto ao seu princípio de funcionamento e abordados conceitos como rotor/estator, indutor/induzido, número de pólos e perdas/rendimento (Capítulo 5). Os capítulos 6 e 7 endereçam os motores eléctricos mais comuns: o motor de corrente contínua e o motor de indução, respectivamente.

Índice

• 1. ALGUNS FENÓMENOS INTERESSANTES ........................................................................
  • 1.1. Campos Gravítico, Eléctrico e Magnético.............................................................
  • 1.2. Geração de Campo Magnético por Íman Permanente..........................................
  • 1.3. Geração de Campo Magnético por Corrente Eléctrica.........................................
  • 1.4. Porquê Espiras e Bobinas?
  • 1.5. O Fenómeno da Auto-indução............................................................................
  • 1.6. O Fenómeno da Indução Mútua
• 2. C ONVERSÃO DE ENERGIA M ECÂNICA EM ELÉCTRICA - G ERADORES
  • 2.1. Indução de Força Electromotriz..........................................................................
  • 2.2. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Alternada (Alternador)..
  • 2.3. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Contínua (Dínamo).......
• 3. TRANSFORMAÇÃO DE TENSÃO /C ORRENTE ELÉCTRICA - TRANSFORMADORES
  • 2.4 Relação entre Tensões e Correntes Primárias e Secundárias..................................
  • 3.1. Enrolamentos Primário e Secundário
  • 3.2. Núcleo
  • 3.3. Transformadores Monofásicos e Trifásicos
• 4. TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA EM ENERGIA M ECÂNICA - M OTORES
  • 4.1. Força Electromagnética
  • 4.2. Princípio de Funcionamento do Motor de Corrente Contínua
  • 4.3. Princípio de Funcionamento do Motor de Indução
  • 4.4. Princípio de Funcionamento do Motor Síncrono
• 5. C ARACTERÍSTICAS DAS M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
  • 5.1. Classificação das Máquinas Eléctricas
  • 5.2. Rotor/Estator e Indutor/Induzido......................................................................
  • 5.3. Sincronismo e Número de Pólos
  • 5.4. Perdas e Rendimento
  • 5.5. Características Nominais
• 6. M OTORES DE C ORRENTE C ONTÍNUA
  • 6.1. Algumas Considerações.......................................................................................
  • 6.2. Motor de excitação separada (derivação)..............................................................
  • 6.3. Motor de excitação série
  • 6.4. Dinâmica do movimento num motor DC
• 7. M OTOR DE INDUÇÃO
  • 7.1. Princípio de Funcionamento
  • 7.2. Arranque
  • 7.3. Controlo de Velocidade.......................................................................................
  • 7.4. Travagem Regenerativa
  • 7.5. Aplicação em Veículos - Automóvel Eléctrico (EV1)
• 8. C ONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA
  • 8.1. Dispositivos Semicondutores de Potência
  • 8.2. Conversores CA/CC - Rectificadores
  • 8.3. Conversores CC/CA - Inversores
  • 8.4. Conversores CC/CC - Reguladores CC
  • 8.5. Conversores CA/CA - Reguladores CA
• 9. REFERÊNCIAS

igual intensidade, exercida pelos protões no núcleo, que contrabalança a primeira, mantendo os electrões nas suas orbitas em redor do núcleo. Este fenómeno é equivalente ao verificado nos satélites artificiais geoestacionários, que têm de girar à mesma velocidade da terra para que permaneçam na mesma posição relativa (altitude de cerca de 36000 Km para que a força gravítica equilibre a força centrífuga). Se não existisse uma força de atracção gravítica por parte da terra, estes satélites sairiam das suas órbitas.

Pode portanto afirmar-se que sempre que existe Campo existe energia armazenada, e vice-versa, isto é, confunde-se a existência de Campo Eléctrico numa dada região do espaço com a existência de energia eléctrica armazenada nessa região do espaço.

Tal como para o Campo Gravítico e para o Campo Eléctrico, a existência do Campo Magnético manifesta-se pelos seus efeitos. Um Campo Magnético pode ser criado por cargas em movimento (corrente eléctrica) ou por um material (ferromagnético) magnetizado, provocando, por exemplo, que dois condutores na proximidade um do outro estejam sujeitos a uma força de atracção ou de repulsão, conforme o sentido da corrente que os percorre é o mesmo ou oposto, respectivamente.

1.2. Geração de Campo Magnético por Íman Permanente

O primeiro fenómeno magnético a ser observado foi o associado ao íman ou magneto “natural”:

Figura 1: Íman ou magneto “natural” ([2])

Estes magnetos naturais têm a propriedade de atrair o ferro não magnetizado. Nota-se ainda que a força de atracção é mais forte em duas regiões do magneto, denominadas pólos - Polo Norte e Polo Sul. Os materiais que depois de magnetizados mantêm essa

propriedade têm características de “magnetização permanente”. De facto, a ocorrência deste fenómeno deve-se à existência de um Campo Magnético, de natureza similar aos Campo Gravítico e Campo Eléctrico referidos atrás.

O planeta Terra comporta-se como um íman gigante com um Polo Norte e um Polo Sul, ligeiramente desfasados (15º) dos respectivos pólos geográficos:

Figura 2: O Campo Magnético terrestre ([2])

A existência do Campo Magnético terrestre permite a utilização de bússolas, que não passam de pequenos ímans suspensos que se orientam segundo o magnetismo terrestre:

Figura 3: A bússola ([2])

Figura 5: Linhas de força do Campo Magnético criado por corrente eléctrica ([2])

O sentido da corrente no condutor e o sentido do fluxo do Campo Magnético estão relacionados. Partindo do sentido da corrente eléctrica e utilizando a Regra da Mão Direita de Ampère ou a Regra do Saca-Rolhas, obtém-se o sentido das linhas de força do Campo Magnético.

Na Regra da Mão Direita de Ampère, abraçamos o condutor com a nossa mão direita, com o polegar a indicar o sentido da corrente. Os outros dedos indicam o sentido das linhas de força.

Na Regra do Saca-Rolhas, o sentido de rotação do saca-rolhas quando tenta acompanhar o sentido da corrente, dá-nos o sentido das linhas de força.

Sentido das linhas de força

Sentido da corrente

Figura 6: Sentido das linhas de força do Campo Magnético criado por corrente

Pode ainda afirmar-se que o Campo Magnético se torna mais fraco quando:

• Nos afastamos do condutor
• Diminui a corrente eléctrica

1.4. Porquê Espiras e Bobinas?

Se dobrarmos um condutor em forma de espira, o Campo Magnético vai reforçar-se, criando-se um Polo Norte dum dos lados da espira e um Polo Sul do outro lado:

Figura 7: Condutor em espira gera Polo Norte e Polo Sul ([1])

Se enrolarmos um condutor em forma de bobina (conjunto de espiras), o efeito do Campo Magnético criado é ainda maior. De facto, o Campo Magnético gerado por cada uma das espiras vai acrescentar-se ao Campo Magnético global (da bobina), tornando-se muito mais forte.

Figura 8: Sentido das linhas de força do Campo Magnético criado por corrente numa bobina ([1])

Quando um pedaço de metal facilmente magnetizável é colocado perto de uma bobina em corrente, o pedaço de metal desloca-se na direcção da bobina. Isto porque o pedaço de metal é magnetizado e atraído pelo Campo Magnético gerado pela bobina.

A força do Campo Magnético, quando uma corrente atravessa a bobina, é proporcional à quantidade de espiras e à intensidade dessa corrente:

Nº de espiras da bobina

CampoMagnético

Corrente

CampoMagnético

Figura 9: Sentido das linhas de força do Campo Magnético criado por corrente ([1])

2. CONVERSÃO DE ENERGIA MECÂNICA EM ELÉCTRICA - GERADORES

Um dos primeiros fenómenos do electromagnetismo a ser conhecido, em meados do século passado, foi o facto de num circuito eléctrico aparecer uma corrente momentânea quando um íman se aproximava ou afastava deste, ou quando noutro circuito próximo se iniciava ou interrompia a passagem de corrente (experiências de Faraday).

2.1. Indução de Força Electromotriz

Indução Electromagnética - Barra Magnetizada em Movimento no Interior de Bobina

Quando uma barra magnetizada se movimenta no interior de uma bobina, induz-se nesta última uma corrente eléctrica.

Figura 10: Indução de uma f.e.m. por deslocação de um magneto relativamente a uma bobina ([2])

De experiências efectuadas pode concluir-se o seguinte:

• Quando o magneto é deslocado para mais próximo da bobina, a agulha do galvanómetro (instrumento que mede correntes muito pequenas) deflecte num sentido. Quando o magneto se afasta da bobina, em contraste, a agulha deflecte no sentido oposto, o que prova que o sentido da força electromotriz (f.e.m.) gerada na bobina se inverte.
• Quando o magneto se aproxima e afasta da bobina, a agulha do galvanómetro deflecte muito se o magneto for deslocado rapidamente, mas apenas deflecte um pouco se o magneto for deslocado lentamente. Prova isto que uma maior f.e.m. é gerada quando o magneto se desloca mais rapidamente.

• Quando o magneto se aproxima da bobina e é mantido nessa posição, a agulha do galvanómetro volta à sua posição neutra, logo que o magneto para, mesmo que a bobina se mantenha no campo magnético do magneto. Isto demostra que não é gerada f.e.m. a menos que a força do campo magnético se altere.
• A agulha deflecte mais quanto mais forte for o magneto. Conclui-se então que um campo magnético mais forte gera uma maior f.e.m.
• Obviamente, e por que o que interessa é o movimento relativo, a agulha do galvanómetro também se desloca se for a bobina a movimentar-se em relação a um magneto fixo.

Os fenómenos acima descritos, onde uma f.e.m. é induzida a partir da variação de um campo magnético, resultam da existência de Indução Electromagnética.

Grandeza da F.E.M. Induzida

A grandeza da f.e.m. induzida numa bobina, por indução electromagnética, varia proporcionalmente à quantidade de linhas de fluxo magnético do magneto cortadas pela bobina num dado período de tempo e ao número de espiras da bobina.

Se o número de espiras de uma bobina é N, a variação do fluxo magnético com o tempo é ∆Φ / ∆t e a f.e.m. induzida é E, a seguinte relação é verdadeira:

E N t

∝. ∆Φ ∆

Sentido da F.E.M. Induzida - Lei de Lenz

Verifica-se que, quando o fluxo magnético produzido pelo magneto atravessa a bobina, é gerada uma f.e.m. que, por sua vez, cria um fluxo magnético orientado num sentido que contraria o fluxo magnético do magneto (tenta repelir o magneto se este se aproxima ou atraí-lo se este se afasta).

Este fenómeno é materializado pela Lei de Lenz:

O sentido de uma f.e.m induzida é tal que ela se opõe à causa que lhe deu origem.

No caso do magneto e da bobina, a f.e.m induzida na bobina tenta contrariar a causa que lhe deu origem - a variação de fluxo provocada pelo movimento do magneto.

Suponhamos que o polo norte do magneto se aproxima da bobina. Neste caso, a f.e.m. induzida na bobina terá o sentido necessário para gerar um polo norte do lado onde o magneto está a entrar:

Sentido da F.E.M. Induzida - Regra da Mão Direita de Fleming

A direcção e sentido da f.e.m. gerada num condutor em movimento dentro de um Campo Magnético varia com:

• A direcção e sentido do fluxo magnético
• A direcção, sentido e velocidade de deslocamento do condutor

Para determinar a direcção e sentido da f.e.m. induzida no condutor, podemos recorrer à Regra da Mão Direita de Fleming:

Figura 14: Sentido da f.e.m. induzida num condutor em movimento no seio de um campo magnético ([2])

2.2. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Alternada (Alternador)

Apenas é induzida f.e.m. num condutor se o seu movimento for normal às linhas de força do Campo Magnético, isto é:

N a S

b

c

d

Figura 15: F.e.m. induzida depende da direcção e sentido do movimento ([1])

Apenas nos movimentos a e c é gerada f.e.m. Nos movimentos b e d não são “cortadas” nenhumas linhas de força, não havendo portanto indução de f.e.m.

Se o condutor tiver uma trajectória circular, o valor da f.e.m. mudará constantemente. Analogamente ao caso anterior, as zonas em que a f.e.m. terá o seu valor máximo (em módulo) são as zonas a e c. Nas zonas b e d, a f.e.m. induzida atingirá o seu mínimo valor.

N a S

b

c

d

Figura 16: Condutor com trajectória circular ([1])

O resultado é uma corrente (f.e.m.) que tem uma variação sinusoidal:

Figura 17: F.e.m. induzida em função do tempo ([1])

Se em vez de termos um condutor rectilíneo em movimento dentro de um Campo Magnético, tivermos uma espira em rotação em torno do seu eixo, as f.e.ms. induzidas em ambos os lados da espira vão adicionar-se:

Figura 18: Espira em rotação dentro de Campo Magnético ([1])

d

a

b

c

d

Na figura seguinte podem constatar-se as várias posições de rotação do magneto, correspondendo a diferentes valores da f.e.m. induzida na espira:

Figura 21: Magneto em rotação dentro de espira estática ([1])

2.3. Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Contínua (Dínamo)

A f.e.m. gerada, naturalmente, por rotação de uma espira dentro de um Campo Magnético ou por rotação de um magneto em relação a uma espira, tem uma forma sinusoidal. No entanto, podemos tornar essa f.e.m unidireccional se invertermos os terminais do condutor sempre que a f.e.m. inverte o seu sinal:

Figura 22: Conversão da corrente bidireccional em unidireccional ([1])

Isto é, se a f.e.m. gerada na espira for captada por duas escovas condutoras, cada uma delas em contacto com um segmento (semi-anel) de colector, a corrente na lâmpada terá sempre o mesmo sentido, embora o seu valor não seja constante. Isto é, conseguimos converter uma corrente bidireccional numa corrente unidireccional:

Figura 23: Conversão da corrente bidireccional em unidireccional ([1])

É este o princípio de funcionamento do gerador de corrente contínua.

Nos geradores actuais existem várias bobinas (enrolamentos) dispostas na circunferência que produzem f.e.ms. independentes umas das outras, utilizando-se a f.e.m. de cada uma delas apenas quando esta está na zona de valor mais elevado. A f.e.m. resultante é, portanto, praticamente constante, característica fundamental de um gerador de corrente contínua:

Figura 24: Conversão da corrente bidireccional em unidireccional ([1])