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ET521 – Laboratório de princípios de conversão de energia 1 sem 2010 Módulo 4 - Funcionamento de máquinas elétricas rotativas Parte 1
OBJETIVO
Analisar os processos básicos de conversão eletromecânica de energia presentes nos diversos tipos de máquinas elétricas rotativas (motores e geradores).
INTRODUÇÃO
Conforme verificado no estudo anterior do eletroímã, um campo magnético que se estabelece entre duas faces polares opostas dá origem a enormes forças de atração, especialmente se o entreferro for pequeno. Vimos também que a função básica do núcleo ferromagnético é dirigir o fluxo magnético até as faces polares, permitindo concentrar a energia magnética quase que totalmente no entreferro.
Nas máquinas elétricas rotativas o objetivo é converter as forças de atração/repulsão entre os pólos magnéticos, em conjugado que movimenta o rotor (caso do motor) ou então, converter a energia mecânica responsável pelo movimento do rotor, em energia elétrica (caso do gerador).
Na seqüência, realize os experimentos indicados por u colocando no relatório as respectivas observações/conclusões e as respostas às questões formuladas.
CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS
As máquinas elétricas rotativas podem ser classificadas de acordo com o princípio físico de funcionamento. No caso de motores, o conjugado pode ser produzido de quatro maneiras básicas.
(A) Reação de correntes induzidas
Na figura 1 tem-se um ímã que pode ser girado a uma velocidade ω 1 em frente a um disco de alumínio que também pode rodar.
♦ Posicione o disco afastado do ímã. Com o ímã travado, gire o disco suavemente e cronometre a duração do giro.
♦ Repita o item anterior posicionando o disco próximo ao ímã. Relate o que ocorreu e justifique os fenômenos observados.
♦ Mantendo o disco próximo ao ímã, gire suavemente o ímã em qualquer sentido e observe o que ocorre com o disco.
Figura 1 - Motor de Indução Elementar
Com base nas observações explique, justificando, cada questão.
(i) por que aparece conjugado motriz?
(ii) a velocidade do disco ( ω 2 ) é igual à do ímã ( ω 1 )?
(iii) verifique se essa máquina tem conjugado de partida^1 , com o ímã já em movimento.
(iv) qual o efeito que a carga mecânica provoca sobre ω 2?
(v) essa máquina elementar tem aplicação prática? Onde?
(B) Ciclo de histerese
O rotor é constituído por um disco circular de material ferromagnético não magnetizado.
Figura 2 - Motor de Histerese Elementar
(^1) Por conjugado de partida entenda-se como a capacidade do rotor em conseguir girar a partir da condição de
velocidade nula (parado) qualquer que seja a velocidade relativa entre ele e o campo girante.
Para melhor sintetizar as características das quatro máquinas analisadas, preencha a tabela 1 com SIM ou NÃO.
Tabela 1
TIPO ω 1 = ω 2? HÁ CONJUGADO DE PARTIDA?
INDUÇÃO
HISTERESE
RELUTÂNCIA
SÍNCRONA
Nos quatro tipos de máquinas analisados, a presença de um campo magnético girante é fundamental para a produção de conjugado, ou seja, o movimento do rotor. E o campo girante é produzido manualmente, o que não é uma solução prática, evidentemente. Portanto:
(a) É possível produzir campo girante a partir de bobinas fixas? (b) E, ao contrário, é possível conseguir o giro de um rotor imerso em um campo magnético estacionário?
A primeira questão é fundamental para viabilizar os motores elétricos anteriormente descritos e a segunda questão tem a ver com o princípio de funcionamento dos motores de corrente contínua que serão vistos adiante.
CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE
Uma possibilidade para a obtenção de um campo magnético girante, consiste em se utilizar um conjunto de três bobinas idênticas, dispostas geometricamente conforme indicado na figura 5(a).
(a) (b) Figura 5 - Campo Magnético Girante
Se forem interligadas em Y ou ∆ e conectadas a uma fonte de tensão senoidal trifásica equilibrada, resultam os fluxos magnéticos nas 3 fases ( ψ (^) a , ψ (^) b e ψ (^) c ) mostrados na figura
5(b).
Responda, justificando, as perguntas a seguir.
(vii) Analisando o fluxo total resultante nos instantes t 1 e t 2 ,vo que aconteceu com o
campo magnético nesse intervalo de tempo?
(viii) Como varia a intensidade do campo magnético resultante?
(ix) Como varia a velocidade angular do campo resultante?
(x) Qual a relação entre a velocidade angular do campo girante e a freqüência da fonte de tensão?
(xi) Se um dipolo magnético (bússola) for colocado no centro geométrico, o que ocorrerá?
♦ Faça a montagem da figura 5 e verifique experimentalmente.
(xii) E se colocarmos um rotor cilíndrico de alumínio, o que ocorrerá?
♦ Verifique experimentalmente e comente.
(xiii) O que determina o sentido de rotação?
♦ Verifique experimentalmente e comente.
(xiv) Sugira outros tipos de rotores que produzam conjugado ao serem imersos neste campo magnético girante. Se possível, verifique experimentalmente.
VISUALIZAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE E ESTACIONÁRIO
Uma forma alternativa para se visualizar a ação do campo magnético girante sobre o rotor, é observar o efeito luminoso de leds (diodos emissores de luz) alimentados pela tensão induzida em três bobinas posicionadas na borda de um disco e equidistantes entre si (figura 6).
♦ Analise o que deve ocorrer nos leds em cada uma das seguintes situações:
- disco travado e ímã sendo girado
- disco sendo girado e ímã travado
- ambos sendo girados diferentemente.
ET521 – Laboratório de princípios de conversão de energia 1 sem 2010 Módulo 4 - Funcionamento de máquinas elétricas rotativas Parte 2
CAMPO MAGNÉTICO ESTACIONÁRIO - MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA
A questão agora é conseguir o movimento do rotor com campo magnético estacionário no estator. Este campo estacionário pode ser obtido de duas maneiras diferentes: o estator sendo um ímã permanente ou no estator tem-se uma bobina alimentada com corrente contínua. A figura 7 ilustra a primeira situação.
Figura 7 - Rotor Com Anéis Coletores
Pelas espiras (rotor) circula corrente contínua conduzida através das escovas de carvão via anéis condutores conectados às extremidades da bobina.
(xvi) Considerando que no instante em que se inicia a passagem da corrente contínua no rotor, este está na posição indicada na figura 7, explique o que ocorrerá com o rotor.
♦ Verifique experimentalmente.
Considere a substituição dos dois anéis contínuos por um único anel seccionado (comutador) conforme ilustrado na figura 8.
Figura 8 - Rotor Com Comutador
(xvii) Considerando que no instante em que se inicia a passagem da corrente contínua no rotor, este está na posição indicada na figura 8, explique o que ocorrerá com o rotor.
♦ Verifique experimentalmente.
(xviii) Considere a possibilidade de o rotor da figura 7 ser girado mecanicamente, substituindo-se a fonte c.c. conectada ao rotor, por um galvanômetro com zero central. O que ocorrerá? Justifique.
♦ Verifique experimentalmente.
(xix) E se este mesmo procedimento for adotado para o rotor da figura 8, o que ocorrerá? Justifique.
♦ Verifique experimentalmente.
Usualmente, na máquina de corrente contínua, o enrolamento do rotor é chamado de enrolamento de armadura ou induzido ; e o enrolamento do estator, de enrolamento de campo ou de excitação.
Um motor de corrente contínua, cujo estator possui bobinas para produzir o campo magnético, pode ser representado eletricamente como ilustrado na figura 9.
♦ Com o material disponível, monte um motor c.c. com excitação independente, tomando o cuidado para que as correntes não ultrapassem 1 A.
(xx) Quais as maneiras para se inverter o sentido de rotação?
(b) Excitação paralela - Neste caso a corrente de excitação é obtida da mesma fonte que alimenta a armadura. Portanto a tensão sobre a armadura afeta a corrente de excitação.
30 Ω
1.200 esp.
Figura 11 - Excitação paralela ( shunt )
♦ Monte um motor c.c. com excitação paralela ( shunt ), limitando a corrente em 1 A.
(xxi) Quais as maneiras para se inverter o sentido de rotação neste caso?
(c) Excitação série - Neste caso, apenas uma fonte c.c. alimenta os enrolamentos do estator e do rotor que estão ligados em série, ou seja, a corrente de excitação é a própria corrente de carga (corrente de armadura).
3 0 0 e sp.
1 0 Ω
Figura 12 - Excitação Série
♦ Monte um motor c.c. com excitação série, limitando a corrente em 1 A.
(xxii) Quais as maneiras para se inverter o sentido de rotação?
(xxiii) O que ocorre se este motor for alimentado com corrente alternada?
(xxiv) Qual a aplicação usual desta versão?
(d) Excitação composta - Neste caso também existe apenas uma fonte c.c. que alimenta tanto a excitação paralela como a série. A conexão entre os enrolamentos resulta na excitação composta curta ou longa, com características similares (figura 13).
30 Ω
1.200 esp.
300 esp.
10 Ω
(a) Composto curto (b) Composto longo Figura 13 - Excitação Composta
♦ Monte um motor c.c. com um dos tipos de excitação composta, limitando a corrente em 1 A.
OUTROS TIPOS DE MOTORES
São muitas as possibilidades de se construir máquinas elétricas, que podem assumir dimensões diminutas (motor microscópico) ou gigantescas (geradores de Itaipú). Algumas aplicações especiais merecem destaque: motor de passo e motor linear.
MOTOR DE PASSO
O motor de passo ( step motor ) é um motor que responde a pulsos elétricos e que provocam a rotação de um determinado ângulo (p.ex.: 15° por pulso).
Construtivamente, em geral, o rotor é um ímã permanente com N (^) r pares de pólos salientes
de modo a estabelecer um deslocamento do rotor ∆θ r =∆ θ e ( Nr ⋅ n ), com ∆ θ e = 360 o Ne ,
sendo ∆ θ e o passo polar do estator, N e a quantidade de pólos do estator e n a quantidade
de bobinas do estator energizadas [ 1 ≤ n ≤( Ne − 1 )]. Caso o rotor seja apenas um núcleo de
material ferromagnético, N (^) r é a quantidade de pólos.
A
A
Figura 15
As partes principais do circuito de controle correspondem a:
1 - Gerador de clock com ajuste da freqüência
2 - Seletor de reversão do sentido de rotação
3 - Flip-flop divisor por dois da freqüência do clock
4 - Geração dos pulsos seqüenciais às fases
5 - Drivers de potência e leds indicadores
6 - Saída às fases do motor
Na figura 16 tem-se os sinais de controle e os respectivos pulsos fornecidos às fases do motor.
A _ A Q _ Q
t
t
t
t
A.Q
_
A.Q
_
A.Q
_ _
A.Q
t
t
t
t
Figura 16
(xxv) Relate o funcionamento do motor de passo do laboratório, destacando:
- a reversão do sentido de rotação;
- a relação para a velocidade resultante em função da freqüência dos pulsos.
- o valor de N (^) r (explicitar os cálculos).
