kosov, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
marco-aurelio-lisboa-1
marco-aurelio-lisboa-1

kosov, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

689 páginas
50Números de download
1000+Número de visitas
100%de 0 votosNúmero de votos
Descrição
maquinas elétricas
80 pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
Baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 689
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 689 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 689 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 689 páginas
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 689 páginas
MÁQUINAS ELÉTRICAS "E TRANSFORMADORES Volme à MÁQUINAS ELÉTRICAS "E TRANSFORMADORES Volume 1 FICHA CATALOGRÁFICA (Preparada pelo Centro de Catalogação-na-Fonte, Câmara Brasileira do Livro, SP) X88m 76-0029 Kosow, Irving Lionel, 1919- Máquinas elétricas e transformadores |por| Irving L. Kosow: tradução de Felipe Luis Daicllo e Percy Antônio Soares. Porto Alegre, Globo, 1982. P. ilust. (Enciclopédia técnica universal! Globo) Bibliografia. 4 3 1. Maquinaria elétrica :Z: Máquinas elétricas $. Trans- formadores elétricos 1. Título. IL.-Série, 17. CDD-621.31 18. -621.31042 Ne 18 «621.314 Índice para catálogo sistemático: 1. Maquinaria elétrica : Engenharia elétrica 621.31 q) 621.31042 (18.) 2 Máquinas elétricas : Engenhária 621.31 (17) 621.31042 (18) 3. Transformadores ; Engenharia elétrica 621.314 (17. e 18.) Ca DT 9 a] va 1.343 É Goa G ENCICLOPÉDIA TÉCNICA UNIVERSAL GLOBO 1 Irving Lí Kosow, Ph. D. Staten Island Community % City University of New York MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES Volume 1 Tradução de FELIPE LUIZ RIBEIRO DAIELLO 2 e PERCY ANTÔNIO PINTO SOARES 4 4 Professores de Eletrotécnica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul e na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul 4º Edição S 02247183 EDITORA GLOBO Porto Alegre. Rio de Janeiro MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES | Volume 1 ES FICHA CATALOGRÁFICA (Preparada pelo Centro de Catalogação-na- Fonte, Câmara Brasileira do Livro, SP) Kigm 760029 Kosow, Irving Lionel, 1919. Máquinas elétricas e transformadores Iporf. Irving L. Kosow; tradução de Felipe Luis Daielto e Percy Antônio Soares. Porto Alegre, Globo, 1982. P. ilust. (Enciciopédia técnica universal Globo) Bibliografia. 4 4 5 1. Maquinaria elétrica x Máquinas elétricas 3. Trana- formadores elétricos 1. Título. T.-Série, 17. CDD 621.31 18, “621.31042 1. eds “621.314 Índice para catálogo cistemático: 1. Maquinaria elétrica : Engenharia elétrica 621.31 (7) 621 31042 (18) 2. Máquinas elétricas : Engenhíria 621.31 (17) sar31042 “a 1.313 25 62 * ENCICLOPÉDIA TÉCNICA UNIVERSAL GLOBO | Lo Irving Lí Kosow, Ph. D. | Staten Island Community . City University of New York + MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES Volume 1 Tradução de FELIPE LUIZ RIBEIRO DAIELLO 2 e PERCY ANTÔNIO PINTO SOARES 4 4 Professores de Eletrotécnica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul e na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul 4º Edição S 02247/83 EDITORA GLOBO ç1 Porto Alegre. Rio de Janeiro 1982 * E» tm 24.343 É Som Hed, “a x Titulo original da edição norte-americana: ELECTRIC MACHINERY AND TRANSFORMERS Copyright O 197 by Prentice Hall, Inc,, Englewood Cliffs, N. 3 07632 uu Edição — dezembro de 1977 2* Edição — junho de 1979 3º Edição — outubro de 1979 furo CA MUS IL Pa Qu dor dt Planejamento gráfico de Sônia M. de Mendonça Heinz Capa de Leonardo Menna Barreto Gomes Direitos exclusivos de tradução, em língua Portuguesa, da Editora Globo S.A. Av. Getúlio Vargas, 1271 — 90000 — Porto Alegre, RS Rua Sarg. Silvio Hollenbach, 350 — 21510 — Rio de Janeiro, RJ A minha esposa RUTH e meus filhos SONIA, MARTIN e JULIA prefácio Este livro é um desenvolvimento do trabalho anterior do autor Electric Machinery and Control, publicado originalmente em 1964. Ao revisar, suplementar é atualizar aquele trabalho, ficou claro que seriam necessários dois volumes para apresentar convenientemente o material e manter-se em dia com os conhecimentos atuais. Várias razões ditaram esta escolha. O trabalho original já era bastante grande (acima de 700 páginas), e o novo material que se pensava utilizar traria como resultado um volume muito pesado e dispendioso. Uma divisão lógica entre a teoria das máquinas elétricas c as aplicações práticas das mesmas já existe na bibliografia. Já há numerosos trabalhos em .volumes separados nestas áreas, de modo que existe um precedente para esta dicotomia. O estudante que necessita de fundamentos teóricos das máquinas elétricas e de suas características começará a ter contato com o assunto de um modo diferente daquele de que necessitam o engenheiro e o técnico práticos nesse campo. Os últimos estão principalmente interessados na utilização e nas aplicações práticas das máquinas elétricas tratadas no segundo volume, embora ocasionalmente se torne necessária a referência a este primeiro volume. O primeiro volume, portanto, é um texto que reflete a realimentação de parte dos professores e alunos que usaram o anterior Electric Machinery and Control. Para responder a numerosas solicitações, foi adicionado um novo capítulo sobre Transformadores. Também foram inseridas questões em cada capítulo, para intensificar a compreensão qualitativa do material, por parte do leitor. A linguagem do texto foi, em parte, reescrita, para tornar claras importantes diferenças teóricas, facilitar a compreensão e, sobretudo, para permitir o estudo autodidata. Foram incluídos novos problemas e exemplos ilustrativos. As abre- viaturas das unidades foram revisadas, para refletir os padrões da IEEE. A exposição lógica para o estudo das máquinas elétricas, citada no prefácio do livro anterior Electric Machinery and Control, foi ressaltada por dois problemas mundiais relevantes: a poluição (de nossas terras, águas e da atmosfera) e a superpopulação. A última trouxe, como resultado, exigências de potência e de transporte personalizado extraordinariamente crescentes, junto com bens de consumo de uma grande variedade, concomitantes com um padrão de vida crescente, e isto inevitavelmente conduziu à poluição. Em consegiiência, os engenheiros e cientistas estão reconsiderando a geração de potência elétrica, a conversão de energia e o uso de técnicas de tração elétrica (livre de poluição ou com poluição relativamente baixa) para o transporte ferroviário e automotor. O automóvel elétrico, citado pelo autor como uma possibilidade no livro anterior, está se tornando rapidamente uma realidade, como decorrência. O escurecimento parcial e os blackouts dos últimos anos da década de 60 são uma consegiiência direta da insaciável necessidade do homem de potência elétrica, de modo geral; e, especificamente, da maior confiança nas máquinas elétricas. Os anos 70 verão, inevitavelmente, um intensificado interesse pela conversão da energia elétrica e pelas máquinas elétricas, por parte dos governos, instituições educacionais e indústrias, como resposta à esses problemas pressionantes do globo terrestre. Fez-se uma [firme tentativa no sentido de unificar o objetivo deste livro e seu método de apresentação, como tinha sido já feito no seu antecessor. O capítulo 1 apresenta o princípio unificador de que em todas as máquinas girantes ocorre a ação geradora simultaneamente com a ação motora. O capítulo 2 trata dos enrolamentos, baseando-se antes nas semelhanças do que nas diferenças entre as máquinas decorrente continua e de corrente alternada. Os capítulos 5 e 7 tratam da reação da armadura e da operação em paralelo, respectivamente, de uma forma unificada similar, que conduzem a generalizações com respeito aos efeitos da excitação e da reação da armadura em todas as máquinas elétricas. Os capítulos 8 e 9 acentuam as distinções entre máquinas sincronas e assíncronas, tendo sempre por objetivo a melhor compreensão das características dos alter- nadores, motores síncronos, geradores e motores de indução, e de vários motores monofásicos. O capítulo 11 sobre máquinas especiais inclui selsins, servomotores e excitatrizes de campos múltiplos, bem como outras máquinas de campo cruzado, essenciais para o estudo dos servomecanismos, O rendimento das máquinas elétricas é tratado no capítulo 12 como um- tópico unificado na conversão eletro- mecânica, na qual o rendimento das máquinas CC e CA e a teoria fundamental dos testes básicos estão estreitamente intertigados. Este capítulo também dispensa particular atenção à capacidade, seleção, controle da velocidade e manutenção das máquinas elétricas. O capítulo final sobre transformadores está intimamente ligado e refere-se aos capitulos prévios sobre alternadores e rendimento, para salientar as semelhanças é unificar a apresentação. Este capítulo também inclui conversões polifásicas de ordem superior para elevadas exigências de potência CC. Conforme já se fez notar antes, a ênfase do trabalho, caicada em 25 anos de experiência didática do autor, está dirigida ao estudo por conta própria. O resultado disso é um material de texto um tanto mais detalhado, exemplos ilustrativos indicando solução dos problemas, e muitas questões específicas des- tinadas a motivar o leitor. Também daí decorre a vantagem da diminuição da carga do trabalho do professor, transferindo mais responsabilidade para o aluno no processo de aprendizado. Consegiientemente isto libera o professor para pôr mais ênfase naqueles aspectos da matéria em que ele sente que há necessidade de ênfase e estudo aprofundado, e naqueles tópicos particulares em que os alunos precisam de ajuda. Além disso, devido ao seu aspecto de autodidatismo, o presente trabalho é indicado para um curso de dois semestres, ou de um semestre, neste campo. No último caso, o professor pode especificar capítulos específicos, e/ou seções dentro dos capítulos, como representativos do delineamento do curso, com a recomendação preliminar de que o aluno leia todo material explanatório periférico de que venha a necessitar em outras seções dos capítulos, para alargar e aperfeiçoar seus conhecimentos. Agradecemos e apresentamos nosso reconhecimento à equipe da Prentice- Hall, em geral, e a Steven Bobker em particular, por sua supervisão cuidadosa na produção do manuscrito e por muitas sugestões proveitosas, de que resultou a presente forma do livro. O autor também agradece o encorajamento e auxilio de Matthew Fox, Editor executivo, e de Edward Francis, Editor de tecnologia eletrônica. Como sucedeu com meus outros livros é com o trabalho editorial, minha esposa, Ruth, contribuiu significativamente de maneira direta na leitura das provas e na indexação deste livro, e de maneira indireta com seu encorajamento, paciência é compreensão em todos os muitos dias de solidão e isolamento neces- sários para produzir este trabalho. *eving L. Kosow Cidade de Nova lorgue, 1971 sumário “ 1 FUNDAMENTOS DE ELETROMECÂNICA 1 Conversão eletromagnética de energia, 2 Relações existentes entre indução eletromagnética e força eletro- magnética, 3 Lei de Faraday da indução eletromagnética, 4 Fatores que afetam o valor da fem induzida, S Sentido da fem induzida — Regra de Fleming, 9 Lei de Lenz, 10 Geradores elementares, 12 Prova da regra de Fleming da mão direita, por meio da lei de Lenz, 12 Polhridade de um gerador elementar, 13 Fem senoidal gerada por uma bobina girando num campo mag- nético uniforme à velocidade constante, 13 Retificação por meio de um comutador, 15 O enrolamento em anel de Gramme, 18 Tensão, corrente e potência nominais das máquinas, 22 Fem média gerada em um quarto de volta, 23 Equação fundamental de tensão do gerador CC para fem entre as escovas, 25 Força eletromagnética, 26 XIV MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES 117 Fatores que afetam o valor da força eletromagnética, 26 1-18 Sentido da força eletromagnética e regra da mão esquerda, 28 “119 Força contra-eletromotriz, 29 1-20 Comparação entre a ação motora e à ação geradora, 29 2 CONSTRUÇÃO DE MÁQUINAS E ENROLAMENTOS 38 21 Possibilidades das máquinas elétricas, 38 22 Construção da máquina Cc, 39 “2-3 Construção das máquinas síncronas (campo fixo), 41 “24 | Construção de máquinas síncronas com campo móvel, 41 2-5 Construção da máquina de indução assíncrona, 43 2-6 — Campos e circuitos magnéticos da máquina de CC, 43 27 Reatância da armadura, 44 2-8 Campos e circuitos magnéticos nas máquinas CA,, 45 2-9 Cálculo do fluxo magnético, 46 210 Enrolamentos da armadura, 48 2-11 Enrolamentos ondulados e imbricados — semelhanças e dife- renças, 50 2-12 Enrolamentos — Sumário, 54 2-13 Enrolamentos da armadura de máquinas síncronas CA, 55 2-14 Enrolamentos de camada simples e dupla, 56 2-15 Enrolamentos de passo fracionário, 57 2-16 Enrolamentos distribuídos — fator de distribuição, 59 217 Efeito do passo fracionário e da distribuição de bobinas na forma de onda, 62 2-18 Fem gerada numa máquina síncrona CA, 64 2-19 Fregiiência das máquinas sincronas CA, 66 3 RELAÇÃO DE TENSÃO NAS MÁQUINAS CC -— GERADORES CC 7 *3.1 Generalidades, 72 3-2 Tipos de geradores CC, 73 . 33 Diagrama esquemático e circuito equivalente de um gerador- shunt, 73 34 Diagrama esquemático e circuito equivalente de um gerador- série, 75 35 Diagrama esquemático e circuito equivalente de um gerador composto, 76 3.6 Gerador com excitação independente, 78 3-7 Características de tensão a vazio dos geradores CC, 79 '38 Geradores auto-excitados — Resistência de campo, 82 3-9 Auto-excitação de um gerador-shunt, 83 3-10 Resistência crítica de campo, 84 SUMÁRIO 313 3-14 315 3-16 3-17 3-18 3-19 3-20 3-21 3-2 Xv Razões que impedem à auto-excitação, 85 Efeito da carga no impedimento de excitação de um gerador- shunt, 86 . Características tensão-carga de um gerador-shunt, 87 Efeito da velocidade nas características a vazio e sob carga de um gerador-shunt, 29 Regulação de tensão de um gerador, 91 Gerador-série, 92 Gerador composto, 93 Características do gerador composto cumulativo, 94 Ajustamento do grau de compensação dos geradores compostos cumulativos, 96 Características do gerador composto diferencial, 97 Comparação das características carga-tensão dos peradores, 98 Efeito da velocidade nas características carga-tensão dos gera- dores compostos, 99 4 TORQUE EM MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA — MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA 106 41 Generalidades, 106 4.2 Torque, 107 43 Equação fundamental do torque em máquinas de CC, 111 44 Força contra-eletromotriz ou tensão gerada no motor, 13 4.5 Velocidade do motor como função da fcem e do fluxo, 14 46: Feem e potência mecânica desenvolvida pela armadura do motor, 16 4-7 Relação entre torque e velocidade do motor, 117 4.8 Dispositivos de partida para motores de cc, 119 49 Caracteristicas do torque eletromagnético dos motores CC, 12] o 40 Características de velocidade dos motores Cc, 124 = 4-1 Regulação de velocidade, 130 412 Torque externo, HP e velocidade nominais, 130 413 Inversão do sentido de rotação, 132 4:14 Efeito da Teação da armadura na regulação de velocidade de to- dos os motores Cc, 133 5 REAÇÃO DA ARMADURA E COMUTAÇÃO NAS MÁQUINAS ELÉTRICAS 51 2 5-3 5-4 140 Generalidades, 140 Campo magnético produzido pela corrente da armadura, 141 Efeito do fluxo da armadura no fluxo polar, 142 Deslocamento da linha neutra em geradores com relação a mo- tores, 145 . 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES Compensação para a reação da arinadura em máquinas de CC, 146 O processo de comutação, 150 Tensão de reatância, 153 Reação da armadura na máquina CA, 154 Sumário da reação da armadura nas máquinas elétricas, 157 6 RELAÇÕES DE TENSÃO EM MÁQUINAS CA — ALTERNADORES 164 6-1 Generalidades, 164 6-2 Construção, 165 6-3 Vantagens da construção de armadura estacionária é campo s, NX girante, 165 . & 64 Máquinas primárias, 168 pes Circuito equivalente para máquinas síncronas mono e poli- fásicas. 169 6-6 Comparação entre o gerador CC de excitação independente e o alternador sincrono de excitação por fonte externa, 171 6-7 Relação entre a tensão gerada e a tensão nos terminais do alter- nador para vários fatores de potência de carga, 171 [6-8 Regulação de tensão de alternadores sincronos CA para vários fatores de potência, 175 69 — Impedância síncrona, 177 610 O método da impedância sincrona (ou fem) para o cálculo da regulação de tensão, 178 611 Hipóteses inerentes ao método da impedância síncrona, 183 6-12 Corrente de curto-circuito e o uso de reatores para limite de corrente, 184 7 OPERAÇÃO EM PARALELO 192 71 Vantagens da operação em paralelo, 192 7-2 Relações de tensão e corrente para fontes de fem em paralelo, 193 73 | Operação em paralelo de geradores-derivação, 196 7-4 | Condições necessárias para operação em paralelo de geradores- derivação, 197 7-5 Operação em paralelo de geradores compostos, 198 7-6 | Condições necessárias para a operação em paralelo de geradores compostos, 199 7-7 | Procedimento para pôr geradores em paralelo, 201 7-8 Condições necessárias para ligar alternadores em paralelo, 202 -9 Sincronização de alternadores monofásicos, 203 [ SUMÁRIO XVII T-10 Efeitos da corrente de sincronização (circulante) entre alterna- dores monofásicos, 206 7-M Divisão de carga entre alternadores, 213 7-12 Caça ao sincronismo ou oscilação de alternadores, 216 7-13 | Sincronização de alternadores polifásicos, 218 H7-14 — Sincronoscópios, 220 7-15 | Indicador de segiiência de fases, 222 716 Sumário de procedimento para ligar em paralelo alternadores polifásicos, 223 8, RELAÇÕES DE TORQUE EM MÁQUINAS CA — Partida de motores sincronos, 233 Partida de um motor síncrono como se fosse um motor de indução, através de seus enrolamentos amortecedores, 234 8-6 Partida do motor síncrono sob carga, 236 8-7 Operação do motor síncrono, 237 8-8 Efeito do aumento de carga para um motor síncreno com ex- citação normal (E,p = V,), 242 8-9 Efeito do aumento de carga em condições de subexcitação (E < Vo), 244 8-10 Efeito do aumento de carga em condições de sobreexcitação (Es > Vo, 245 8-11 Sumário dos efeitos do aumento de carga (desprezando os efeitos da reação da armadura) sob excitação constante, 245 8-12 Efeito da reação da armadura, 246 8-13 Ajuste do fator de potência do motor sincreno sob carga cons- tante, 248 : Curvas V de um motor sincrono, 251 8-15 Cálculo do ângulo de torque e da tensão gerada por fase para — NS um motor sincrono polifásico, 255 T$-16 Uso do motor sincrono como corretor do fator de potência, 263 8-17 | Torque eletromagnético desenvolvido por fase em um motor síncrono, 265. 818 Capacidade de motores sincronos, 269 8-19 Capacitores sincronos, 270 8-20 Limite econômico da melhora do fator de potência, 271 8:21 Cálculo da melhora do fator de potência do motor síncrono utilizando o método kW-kvar, 273 8-22-. Uso do compensador síncrono como reator sincrono, 275 8-23 Utilização do motor sincrono para variação de fregiiência, 277 * MOTORES SÍNCRONOS 229 81 Generalidades, 229 8-2 Construção, 231 8-3 Operação do motor síncrono, 231 4 5 XVIII MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES 8-24 O motor supersincrono, 278 8-25 Tipos especiais de motores sincronos que não empregam excita- são CC no campo, 279 8-26 O motor sincrono de indução, 279 8-27 Motor de relutância, 281 8-28 Motor de histerese, 282 8-29 Motor subsíncrono, 283 8-50 Fontes estáticas — Fontes para alimentação CC do campo atra- vés de componentes de estado sólido, 284 8-31 Motores sincronos sem escovas, 284 9 MÁQUINAS DE INDUÇÃO POLIFÁSICAS (ASSÍNCRONAS) 294 91 Generalidades, 294 9-2 Construção, 295 9-3 Produção de um campo magnético girante pela aplicação de 5 SO tensões alternadas polifásicas ao enrolamento da armadura, 296 9-4 Princípio do motor de indução, 300 9-5 Condutores do rotor, fem induzida e torque; rotor parado, 302 9-6 Torque máximo, 308 = 9-7 Características operacionais de um motor de indução, 310 9-8 Características de funcionamento de um motor de indução, 311 9-9 Efeito de variações na resistência do rotor, 314 9-10 Característica de partida com resistências inseridas no circuito do rotor. 315 9-11 Características de funcionamento com resistências inseridas no circuito do rotor, 321 9-12 Torque do motor de indução e potência desenvolvida no rotor, 322 9-13 - Medida do escorregamento por vários métodos, 328 “ -—9-14 Partida do motor de indução, 330 9-15 Partida com tensão reduzida com autotransformador, 33] pS- 9-16 Partida com tensão reduzida, com reator ou resistor primário, 333 À 9-17 Partida estrela-triângulo, 334 9-18 Partida por fase dividida, 335 9-19 Partida de motor de indução de rotor bobinado, 336 9-20 Motor de indução com partida de ligação direta à linha, com rotor de dupla gaiola, 336 9-21 Classificação comercial dos motores de indução, 338 9-22 O gerador de indução, 342 9-23 Máquinas de indução como conversores de fregiiência, 344 . HH MOTORES MONOFÁSICOS 354 Ss, = 10-1 Generalidades, 354 10-2 Construção de motores de indução monofásicos, 356 SUMÁRIO XIX 10-3 Torque equilibrado de um motor de indução monofásico parado, 356 10-4 Torque resultante num motor monofásico de indução, como resultado da rotação do rotor, 358 10-5 Motor de indução de fase dividida (partida à resistência), 36] 10-6 Motor de fase dividida com partida a capacitor, 364 10-7 Motor de fase dividida com capacitor permanente-(de um só valor), 367 10-8 Motor a duplo capacitor, 369 10-9 Motor de indução de pólo ranhurado, 371 “—* 10-10 Motor de indução com partida à relutância, 374 10-11 Motores de comutador monofásicos, 376 11-12 O princípio de repulsão, 376 10-13 Motor de repulsão comercial, 380 = 10-14, Motor de indução com partida à repulsão, 382 10-15 Metor de repulsão-indução, 383 10-16 Motor universal, 385 10-17 O motor-série CA, 387 10-18 Sumário dos tipos de motores monofásicos, 389 1 MÁQUINAS ESPECIAIS 397 nl Generalidades, 397 11-2 Gerador de pólo desviado, 398 11.3 Gerador de três escovas, 399 11-4 Máquina homopolar ou acíclica, 401 1-5 Dinamotores, 402 11-6 Conversor rotativo monofásico, 404 1-7 Conversor rotativo polifásico, 408 11-8 Geradores para sistemas a três condutores, 413 n-9 Efeito da resistência da linha e de cargas desequilibradas em sis- temas a três condutores, 416 11-10 Conversores de fases de indução, 420 ll-11 Dispositivos sincronizantes (selsin), 421 11-12 Selsins potência e sistemas de laço sincro, 429 11-13 Servomotores CC, 431 ll-l4 Servomotores CA, 434 11-15 O gerador de Rosenberg, 436 1l-16 O amplidino, 438 H-17 Excitatrizes de campo múltiplo — Rototrol e Regulex, 44] 11-18 Motor CC sem escovas, 444 XX MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES n RELAÇÕES DE POTÊNCIA E ENERGIA; RENDIMENTO, SELEÇÃO DA CAPACIDADE E MANUTENÇÃO DE MAQUINAS ELÉTRICAS GIRANTES ass 121 Generalidades, 458 12-2 Perdas de potência das máquinas, 460 12-3 Diagramas de fluxo de potência, 463 12-4 Determinação das perdas, 464 12-5 Rendimento das máquinas CC, 465 12-6 Rendimento máximo, 468 12:97 Duplicação do fluxo e da velocidade, 472 12-8 Rendimento da máquina sincrona CA, 473 12-9 Ventilação dos alternadores, 476 12-10 Rendimento de máquinas sincronas CA através do método do motor CC calibrado, 477 12-11 Rendimento das máquinas assíncronas de indução, 478 12-12 Resistência equivalente de um motor de indução, 479 12-13 Rendimento do motor de indução a partir dos ensaios a circuito aberto e de curto-circuito (rotor bloqueado), 480 12-14 Rendimento do motor de indução pelo método do AIEE do circuito equivalente de carga-escorregamento, 484 12-15 Rendimento de motores monofásicos, 486 12-16 Fatores que atetam a capacidade das máquinas, 487 12-17 Aumento de temperatura, 487 12-18 Tensões nominais, 490 12-19 Efeito do ciclo de trabalho e da temperatura ambiente tia ca- pacidade, 491 12-20 Tipos de carcaças, 49] 12-21 Velocidades nominais; classificações em velocidades; reversi- bilidade, 492 12-22 Fatores que afetam a seleção de geradores e motores, 495 12-23 Manutenção, 497 13 TRANSFORMADORES su 13-1 Definições fundamentais, 511 i3-2 Relações no transformador ideal, 514 13-3 Impedância refletida, transformação de impedâncias e trans- formadores reais, 521 13-4 Circuitos equivalentes para um transformador real de potência, 527 13-5 Regulação de tensão de um transformador de potência, 530 13-6 Regulação de tensão a partir do ensaio de curto-circuito, 533 13-7 Hipóteses inerentes ao ensaio de curto-circuito, 537 13-8 Rendimento do transformador a partir dos ensaios a vazio € de curto-circuito, 538 SUMÁRIO 13-9 13-10 - 13-11 13-12 13-13 13-14 13-15 13-16 13-17 13-18 13-19 13-20 13-21 APÊNDICE XXI Rendimento diário, 543 Identificação das fases e polaridade dos entolamentos do trans- formador, 545 Ligação dos enrotamentos de um transformador em série e em paralelo, 549 O cautotransformador, 552 Rendimento do autotransformador, 560 Transformação trifásica, 562 As harmônicas nos transformadores, 569 Importância do neutro e meios para obtê-lo, 571 Relações de transformação V-V — o sistema delta aberto, 573 A transformação T-T, 575 Transformação de sistemas trifásicos para sistemas bifásicos — A ligação Scott, S79 Transformação de sistemas trifásicos em hexafásicos, 582 Uso de transformações polifásicas em conversão de potência, 589 607 ÍNDICE ALFABÉTICO E REMISSIVO 625 UM fundamentos de eletromecânica Durante muitos anos, os campos da geração e da conversão da potência elétrica ecuparam um lugar sem destaque na opinião pública, em comparação aos campos mais atraentes das válvulas eletrônicas e dos transistores. Os engenheiros ele- tricistas, cientistas, professores é seus alunos consideravam a potência elétrica um campo estéril de estudo, com falta de desafio, oportunidade ou mesmo interesse. Ainda assim, numerosos estudos, americanos e internacionais que estimaram as Teservas de combustiveis fósseis dos Estados Unidos (carvão, gás e petróleo, res- ponsáveis por 96% do seu suprimento de energia), seu crescimento populacional, 8 seu crescente padrão de vida predisseram uma reserva estimada otimista de combustível de 230 anos e uma reserva estimada pessimista de 23 anos.! São apontadas novas fontes de energia, bem como métodos mais eficientes de sua conversão. O problema repercute mundialmente.* As explorações insaciáveis do homem nas profundezas do oceano e no espaço começaram a estimular a investigação de outros meios de conversão de energia (solar, bioquímica, química e nuclear). Mas, seja qual for o método de geração de energia, parece que, uma 'HUTCHESON, 1. A. Engineering for the future. Journal of Engineering Education, 602-7, Apr. 1960. "A crise energética de 1973 pode ser encarada como um alerta para o problema. t+ MÁQUINAS ELÉTRICAS E TRANSFORMADORES vez que a eletricidade é a única forma de energia cujo controle, utilização e conversão em outras formas é relativamente fácil, ela provavelmente continuará a ser a forma principal de energia utilizada pelo homem. Parece então que este é um campo em relação ao qual devemos continuar à experimentar os desafios e as respectivas recompensas. Este texto preocupa-se principalmente com a utilização, controle é conversão eletromecânica da energia, bem como a sua transmissão e distribuição. Inde- pendentemente de quais meios exóticos ou sofisticados de geração elétrica venham a ser descobertos no futuro, os princípios da conversão e utilização da eletricidade devem ainda ser fomentados, analisados e desenvolvidos. . 1-1. CONVERSÃO ELETROMAGNÉTICA DE ENERGIA A primeira indicação da possibilidade de intercâmbio entre energia elétrica e mecânica foi apresentada por Michael Faraday em 1831. Esta descoberta é considerada por alguns como o maior avanço individual no progresso da ciência para atingir o aperfeiçoamento final da humanidade. Deu início ao gerador e ao motor elétrico, ao microfone, ao alto-falante, ao transformador, ao galvanô- metro e, de fato, a praticamente todos os dispositivos cujos princípios e caracte- rísticas serão considerados neste volume. (V. Seg. 1-3) A conversão eletromagnética de energia, como a entendemos hoje, relaciona as forças elétricas e magnéticas do átomo com a força mecânica aplicada à matéria e ao movimento. Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas. Embora esta conversão possa também produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos práticos avançou-se até um estágio onde as perdas de energia reduziram-se a um mínimo e uma conversão relativamente direta é conseguida em qualquer das direções. Assim, a energia mecânica de uma queda-d'água é facilmente convertida em energia elétrica através de um alternador; a energia elétrica produzida é transformada, por conversão eletromagnética de energia, numa tensão mais elevada para transmissão a longas distâncias e, em algum ponto terminal, é ransformada novamente para distribuição numa subestação, onde, a partir de um centro de carga, se distribuirá energia elétrica a consumidores específicos como fazendas, fábricas, residências e estabelecimentos comerciais. Nestas aplicações individuais, a energia elétrica pode, mais uma vez, ser convertida em mecânica através dos motores, em energia térmica através de estufas elétricas, em energia luminosa através do uso de lâmpadas elétricas, e em energia química através do uso de técnicas e processos eletroquímicos; ou pode ser convertida a outras formas de energia elétrica, pelo uso de conversores rotativos, retificadores e conversores de fregiiência. A energia elétrica produzida através desta conversão eletromecânica de energia pode ser reconvertida várias vezes através de dispositivos apresentados neste livro, antes que a energia seja finalmente convertida à forma que realizará o trabalho útil. Este capitulo preocupa-se apenas com os fundamentos e as relações existentes entre energia elétrica e energia mecânica. o » % ip pote rasgos 2 FUNDAMENTOS DE ELETROMECÂNICA 3 1-2. RELAÇÕES EXISTENTES ENTRE INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA E FORÇA ELETROMAGNÉTICA Foram descobertos certos fenômenos eletromagnéticos naturais que relacionam as energias elétrica e mecânica. A relativa facilidade com que se processa tal con- versão de energia é devida, de fato, ao conhecimento dessas relações. Para a maioria das aplicações usuais, a conversão de energia elétrica em mecânica, € vice-versa, pode ser considerada como uma reação reversível. À medida que o processo deixa de ser completamente reversível e outras formas indesejáveis de energia são nele produzidas (tais como energias térmica, luminosa e química), resultam perdas de energia do sistema eletromecânico. O assunto das perdas de energia e do rendimento é tratado no Cap. 12. A descrição dos fenômenos eletro- magnéticos, a seguir apresentada, pressupõe completa conversão eletromecânica de energia. Talvez os efeitos eletromagnéticos mais importantes sejam os relativos à força mecânica aplicada a um corpo (isto é, uma massa consistindo de partículas carregadas, principalmente prótons e elétrons, em movimento, resultando no movimento daquele corpo) em presença de campos elétricos e magnéticos.? Há quatro desses efeitos a serem considerados aqui. Os dois primeiros são mencionados brevemente, Os dois últimos são o assunto deste capítulo. Estes fenômenos envolvidos na conversão eletromecânica de energia são: 1. A força de atração que existe entre as placas (opostas) carregadas de um capacitor. Esta força é mecânica por natureza; pois, se uma amostra de dielétrico fosse colocada entre as placas, ela tenderia a mover-se em direção à parte do campo elétrico onde a densidade é maior. O campo elétrico age, assim, sobre uma amostra do dielétrico, de modo a manter um campo eletrostático (elétrico) de densidade máxima. Por esta razão, se a amostra tiver forma irregular, alinhar-se-á com seu eixo mais extenso (ou com máxima massa) paralelamente ao campo. Assim, partículas de mica dispersas numa superficie se alinham na presença de um campo elétrico. 2. O princípio da relutância: uma força mecânica é exercida sobre uma amostra de material magnético localizado em um campo magnético. A força tende a agir sobre o material de modo a levá-lo para a posição onde o campo magnético tem a maior densidade. Se a amostra for irregular, tenderá a se alinhar de forma a produzir uma relutância magnética mínima e, consequentemente, uma densidade máxima de fluxo. Assim, limalhas de ferro se alinham, em presença de um campo magnético, paralela- mente à direção do campo. (Segs. 8-17 e 827.) 3. Indução eletromagnética. (V, Seg. 1-3.) 4. Força eletromagnética. (V. Seg. 1-16.) *Certos efeitos termelétricos, galvanomagnéticos e termomagnéticos (por exemplo, os efeitos de Hall, Ettingshausen, Nernst, ou Righi-Leduc) não envolvem uma força aplicada a um corpo condutor ou movimento de um tal corpo, mas servem para relacionar os campos elétricos e magné- ticos às propriedades da matéria. No efeito de Hall, por exemplo, uma corrente elétrica longitu- dinal (produzida por um campo elétrico longitudinal) produzirá, na presença de um campo magné- tico perpendicular, um campo elétrico transversal. Como não há movimento envolvido, este efeito não é considerado um fenômeno de energia eletromecânica. Estes efeitos, excluindo o princípio do transformador, são estranhos ao objetivo deste texto e não serão considerados. 4 MÁQUINAS FLÉTRICAS E TRANSFORMADORES 1-3. LEI DE FARADAY DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA Anteriormente à descoberta de Faraday, uma tensão era gerada num circuito através de uma ação química, como a que ocorre numa pilha ou numa bateria de acumuladores. A incomparável contribuição da descoberta de Faraday, em 1831, foi a geração de uma tensão através do movimento relativo entre um campo magnético e um condutor da eletricidade. Faraday chamou esta tensão de “induzida”, porque ocorria apenas quando havia movimento relativo entre O condutor e um campo magnético, sem contato “físico” efetivo entre eles O dispositivo verdadeiro de Faraday assemelha-se ao que aparece na nota de rodapé 8, mas o princípio da indução eletromagnética é talvez mais compreensível a partir do diagrama mostrado na Fig. 1-1. Força no condutor produzindo V Fem induzida, e Fig. 1-1 — Condutor de comprimento / movendo-se em um campo magnético B, para gerar uma fem. A afirmativa geral da lei de Faraday pode ser a que se segue. | O valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à razão de variação das linhas de força que passam através daquela espira (ou se concatenam com ela). | Neumann, em 1845, quantificou esta afirmativa em uma equação, na qual o valor da força eletromotriz (fem) induzida gerada era diretamente proporcional à razão de variação do fluxo concatenado. Ema E £ abvolts = 4 x 1078 V (1-1) 'med
Até o momento nenhum comentário
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 689 páginas