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Introdução às máquinas CA• Assim como as máquinas CC, o princípio de funcionamento de máquinas CA é advindo,

principalmente, do eletromagnetismo:• Um fio condutor de corrente, na presença de um campo magnético, tem uma força

induzida nele (fundamento da ação do motor)

• Um fio movendo-se na presença de um campo magnético tem uma tensão induzida nele (fundamento da ação do gerador)

• Geradores CA produzem potencial elétrico em seus terminais de saída devido ao movimento de bobinas enroladas em seus rotores dentro de um campo magnético (tensão induzida)

• Motores CA um campo magnético girante no estator obriga o rotor energizado a girar, devido à tendência natural de alinhamento entre campos magnéticos (força induzida)

Geradores CA

Geradores em CA• O valor da tensão gerada por um gerador CA depende da intensidade do campo e da

velocidade do rotor. Como a maioria dos geradores funciona com velocidade constante (geradores síncronos), o valor da tensão gerada é controlado através da excitação do campo

• A freqüência da tensão depende do número de polos do campo e da velocidade do rotor, como mostra a equação abaixo:

𝑓 =𝑝. 𝑛

120• f - freqüência da tensão gerada [Hz]

• p - número total de pólos da máquina

• n - velocidade do rotor [rpm]

• Se p = 2, a cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada.

• Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Os geradores da usina hidrelétrica de Itaipu possuem 78 polos e giram a uma velocidade de 92,3 rpm

• Ex1 – Calcule a velocidade necessária no rotor de um gerador de 42 polos para que possa operar no Brasil (60 Hz).

Geradores em CA• A regulação de tensão de um gerador CA representa o aumento percentual na amplitude da

tensão no terminal à medida que a carga vai diminuindo da corrente especificada

• Regular a tensão de saída é importante pois a carga alimentada por geradores varia ao longo do dia.

• Para bom funcionamento do sistema, é preciso manter as condições de operação das máquinas

• A regulação de tensão é feita externamente à maquina, hoje em dia por meio de circuitos eletrônicos que controlam os parâmetros de saída do gerador

• 𝑅𝑇 =𝑉𝑣𝑎𝑧𝑖𝑜 − 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚á𝑥

𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚á𝑥

• Ex 2 – Um gerador sem carga opera com uma tensão de 120 V. Quando se impõe uma carga ao mesmo, sua tensão de saída é reduzida para 115 V. Calcule sua regulação de tensão sabendo que sua corrente de campo não é alterada

Geradores CA

Geradores em CA• Exercício 1 - Um gerador fornece 3,41 A em 230 V, 60 Hz e fator de potência de 0,9. Sabendo

que absorve uma potência mecânica de 1050 W, calcule:

a) A potência útil

b) A potência de perdas

c) O rendimento

d) a velocidade do gerador se ele possuir 2 polos

e) a velocidade do gerador, se ele possuir 12 polos

• Exercício 2 – Uma turbina de uma usina térmica fornece uma potência elétrica de 3 kW ao absorver uma potência mecânica de 3,5 kW. Sabendo que a tensão nos seus terminais é de 230 V, calcule:

a) A intensidade da corrente fornecida pelo gerador

b) O rendimento do gerador.

c) A potência de perdas. Explique as possíveis perdas nessa máquina

d) A energia elétrica fornecida durante 3 horas

Motores CA• Compressores, ventiladores, exaustores e bombas (água e óleo) são exemplos de

aplicações para transporte de fluidos• Tornos, fresas, prensas, lixadeiras, extrusoras e injetoras são exemplos de

aplicações para processamento de materiais• Elevadores, pontes rolantes, esteiras, guindastes, talhas, trens e carros elétricos são

exemplos de aplicações para a manipulação e o transporte de carga

• Estima-se que 40% do consumo de energia no Brasil seja para alimentar motores elétricos

• Os motores CA apresentam características excelentes para a operação a velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela frequência da rede de alimentação e o número de polos do motor.

• Existem também motores CA cuja velocidade pode ser variada dentro de certos limites

Motores CA – campo magnético girante• Um campo magnético é criado quando uma

bobina é percorrida por uma corrente elétrica e a orientação do mesmo será conforme o eixo da bobina, sua amplitude será proporcional à corrente aplicada

• Um “enrolamento trifásico” é formado por três enrolamentos monofásicos deslocados angularmente entre si em 120º

• Alimentando o equipamento com um sistema trifásico de correntes I1 , I2 e I3, cada uma das correntes criará seu campo magnético H1 , H2 e H3, que por sua vez também serão deslocados angularmenteentre si em 120º

Motores de indução CA - funcionamento

Motor de indução CA - funcionamento• O estator está ligado à fonte de alimentação CA. O rotor não está ligado

eletricamente a nenhuma fonte de alimentação.

• Quando o enrolamento do estator é energizado através de uma alimentação trifásica, cria-se nele um campo magnético girante. À medida que o campo varre os condutores do rotor, é induzida uma força eletromotriz nesses condutores, ocasionando o aparecimento de uma corrente elétrica nos condutores do rotor

• Os condutores do rotor, percorridos por corrente elétrica, interagem com o campo magnético girante do estator para produzir um torque eletromagnético que atua sobre os condutores do rotor fazendo-o girar.

• Entretanto, como o campo do estator gira continuamente, o rotor não consegue se alinhar com ele. A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade síncrona (velocidade do campo girante)

Motor de indução CA – equações • Velocidade síncrona – velocidade do campo magnético girante 𝑛𝑠 =

120.𝑓

𝑝

• Escorregamento – diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade síncrona, que deve

ser um pouco menor do que a síncrona 𝑆 % =𝑛𝑠−𝑛

𝑛𝑠

• Frequência do rotor: 𝑓𝑅 = 𝑆. 𝑓• Torque de partida: 𝑇𝑝 = 𝑘.𝜙. 𝐼𝑅. 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑅 [𝑁𝑚]

• Torque nominal: 𝑇𝑁 =2𝜋

60.𝑃

𝑛

• Onde:• 𝑛𝑠 - velocidade síncrona do campo magnético, em rpm• 𝑓 – frequência da rede de alimentação, em Hz• 𝑝 – número de pólos da máquina, 𝑃 – potência nominal da máquina• 𝑆 – escorregamento percentual• 𝑛 – velocidade de funcionamento do motor, em rpm• 𝑓𝑅 - frequência da corrente induzida no rotor, em Hz• 𝑘 – constante da máquina; 𝐼𝑅 - corrente do rotor, em A• 𝜙 – fluxo do campo girante, em Wb; 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑅 - fator de potência do rotor

Motor de indução CA – Exercícios1. Qual a velocidade síncrona de um motor de indução CA que possui 8 polos,

operando em uma rede no Paraguai (50 Hz)?2. Sabendo que esse motor paraguaio possui escorregamento de 2%, qual sua

velocidade de operação, em rpm?3. Ainda sobre o mesmo motor paraguaio, que opera em uma rede de 220 V de

tensão de linha, suponha que ele possua uma constante de máquina k = 1,56. Sabe-se que a resistência equivalente das bobinas do estator é de 0,5 ohm.a) Qual o torque de partida do motor, se o fator de potência do rotor for de 0,9 e

o fluxo magnético de 2 Wb?b) Qual a potência do motor, lembrando que trata-se de um equipamento

trifásico?c) Qual o torque nominal do motor?