maquinas eletricas teoria-e_ensaios ed._-_geraldo_carvalho

1. 3 E 3 Geraldo Ca",..... Teoria e EnsBios "'81::",ICAO f o ~ :I: fo "f ~ III c:J !l 0 =... a o ! 1 ~ Eo 'ti :: c 'li III ~ ~ ...ADA 11{1 IiiI.......................................................... ../

2. Maquinas EhHricas Teoria e Ensaios EDITORA AALIADA ..............................................................................-.0 3. Seja Nosso Parceiro no Combate aCopia lIegal A c6pia ilegal ecrime. Ao efeluala, 0 infrator estara cornelendo um grave erro, que einibir 8 produr,:ao de obras fiterarias, prejucficando prolissionais que serAo 8tingidos pelo crime praticado. Juntese a n6s nesta corrente contra a pirataria. Diga nao ac6pla ilegal. Seu Cadastro EMuito Importante para Nos Se voce nao comprou 0 livra pela Intamet, ao preenener e remeter a frcha de cadastro constante no final desta publica~o, voce passara a receber Infol1Tl8yOOs sabre nossos la~a mentos em sua area de prefer!ncia. Conhecendo melhor nossos leitores e suas pre/erencias, vamos produzir titulos que aten dam suas necessidades. Obrigado pela sua escolha. Fale Conosco! Evenluais probtemas re/erenles ao COIlteUdo desle livro serao encaminhados ao(s) respectivo(s) autor(es) para esclaracimenlo, excetuando-sa as duvidas qua dizem respeito a pacotes de soflwares, as quais sugarimos que sejam encaminhadas aos distribuidores a revendedores desses produtos, que eslao habilitados a prestar lodos os esclarecimentos. Os problemas 56 podem ser enviados por: t , E-mail: [email protected] 2. Fax: (11) 2097.4060 3. Carta: Rua sao Gil, 159 Tatuape CEP 03401-030 Sao Paulo - SP Maquinas Eletricas 4. Geraldo Carvalho do Nascimento Junior Maquinas EII~tricas Teoria e Ensaios 41Edicao Revisada Sao Paulo 2011 - Editora Erica Uda. ................................................................................0 5. Copyright 0 2006 da Editora Erica ltda. Todos os direitos reservacios. Proibi;la a rep~ total 011 parcial, por qualquer meio ou pnx:e$SO. especiaJmente por sistemas graflcos, miaofiImicos. iotogralicos, reprogrilficos. Ionogrilficos, YiI3eogrilficos, internet, e.oooks. Vedada a merTIC)- rtzac;ao elou reaJpera~ Iotal ou parcial em quakllJef sislema de processamento de dados e a indusao de qualquer par1e da obrn em quakllJef programa juscibem!lk:o. Essas proibiQOes apicam-se laniMlrn as caraaerlslicas graficas da oora e ~ sua ed~. A~ dos direilos autafais epoofvel mmo aine (an. 184 eparagrafos, do C6digo Penal, ronforme lei f1!Il0.695, de 07.01.2003) COOl pena de recUsao,de dais a qualro anas,e 1TWJ1ta, c::onjI.ntwente com busca e apreensAo e indenizat;;Oes cflY9fSas (artigos 102, 103 paligralo i.rIico, 11)4, 105, 100 e 107 iens " 2e 3da Lei 019.610, de 19.06.1998. Lei dos Direitls Autorais). o Auklf e a Editora acreditam que todas as infoonat;iles aqui apres&ntadas estao correlas e (XIdem se-r lMizadas para qualquer fim legal. Entretanto. Mo existe quakllJef garanlia, explicita ou 1I'lIIIdta, de que 0 uso de tais infonnaes ronduzir.i sempre ao teSlJltado desejado. 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Maquinas aletricas: Engenharia eletrodinAmica Cooroeool;AO Editorial: Capa: Edito~ e Finaliza~: Editors Erica LIds. Rua Sao Gil. t 59 Tatuape Rosana ArMa da Silva Mauricio S. de Fra~ Pedro Paulo V. Herruzo ~rica Regina Pagano Rosana /p. Alves dos Sanlos FItlYio Eug~ de Lina Marlene Teresa S.ANes CEP: 03401-030 sao Paulo , SP Fone: (11) 2295--3066 - Fax: (11) 2097-4060 www.edlloraerica.com.br C00-621.31042 621.31042 ~ .. .... ".. "...... . .. .......... .~~~t~i~~.~~~t~.iC:::.... ...... ..........."......... 6. Dedicatori Aos grandes homens da ciencia que iniciaram Oll derarn continuidade a urn trabalho, as vezes do nada ou com extrema dificuldade. mas no final dividiram o resultado com 0 mundo e praticamente naD pediram nada em troea. Sabemos que sem eles a eletr6nica, a ei6trica, a robotica, a medicina, a aeromiutica e tantos Qutros conhccirnentos humanos nao teriam 0 nivel tecnologico atual e nao contribuiriam tao significativamente para a qualidade da vida humana. Sao eles, citando alguns dos nossos professores: George Simon Ohm, Andre Marie Ampere, Alessandro G. Volta, Michael Faraday, Joseph Henry, James Watt, Gustav Kirchhoff, James Prescott Joule, Benjamin Franklin, Charles Augustin de Coulomb, Willian Gilbert, Karl Friedrich Gauss, Hans Cristian Orsted, Isaac Newton, Henrich Lenz, Nikola Tesla... ..............................................................................-.8 7. .....______......"Agradecimentos A Deus por tcr concedido saude e vontade de escrevcr sabre 0 mundo it minha volta; A minha familia por termos iniciado 0 caminho juntos e estarmos unidos ate hoje; Aos amigos e colegas de trabalho pelo incentivo e companheirismo, particulannente ao amigo professor engenheiro Antonio Costa por compartilhar sellS conhecimentos e sua vivencia pnitica em maquinas eletricas, contribuindo positivamente com este trabalho; Especialmente aminha esposa Bruna e ao meu filho Gabriel, que dividiram parte do nosso tempo com estas pagmas que trazem muitos pensamentos impressos. Sa/mos, SI 18,30 Com'OSco afronrarei /mfalMes. com meu Deus escalare; mum/has. 1(; Maquinos Eletricas ::.L .. ... ... .... .... ..... ...... ......... .......... ..... .. ........... ... .......... . 8. Capitulo 1 - Magnetismo e Eletromagnetismo ...............................................................15 1.1. Magnetismo......... ........................... ......................... ............................. 15 1.2. im.li ................................................................................................................... 15 1.3. Magnelismo terresrre.......................................................................................... 17 1.4. Associayao paralela de imas ........................................................................... 18 1.5. Magnetizayao ................................................................................................... 19 1.6. Desmagnetizayao ............................................................................................. 19 1.7.0 gigaDtesco Una e 0 calor em seu centro .........................................................20 1.8. Tipos de material..............................................................................................20 1.9. Grandezas magm!ticas e unidades de medida ...................................................20 1.1O. Eletrost:itica...................................................... ................. ...................23 1.1 I. Eletromagnetismo .. ....................................... ............................................23 1.12. Bobinas ou indutores................................... ............................................... 25 1.13. PerimctfO medio do meio magnetico ..............................................................26 1.14. Linhas de campo no ferro............. ......................................... 27 1.15. Saturayao, remanescencia e histerese...................... ................. ............. .... 29 1.16. Relutancia .......................... ............... ..................................................... 30 1.17. Circuito magnetico............ ............... ........................................30 1.18. Indm;:ao magnetica ............................................................................................ 31 1.19. Eletroima em corrente altemada ....................................................................... 33 1.20. Exercicios de fixayao ...................................................................................... 33 Capitulo 2 - Transformador Monofaslco........................................................................35 2.1. lntroduyao .................................. ................ ..................................................35 2.2. Transfonnador elementar ..................... ......................... ..35 2.3. FuncioDamento do transformador ... ...... 36 2.4. Tipos de nueleo ..................... ........................ ...38 2.5. Correnles de parasitas ......... .................... ......................39 2.6. Perdas no transfonnador ................................ .........................40 2.7. Calculo de pequcnos transformadores................................................................40 2.8. Considerayoes sobre isolantes e imprcgnayao ....................................................45 2.9. Circuito equiva1ente .........................................................................................45 2.10. Considerayoes sabre ensaios................................ ............. .........................46 2.11 . Pcrdas no ferro .............. ........................... ................. ...46 2.12. Perdas no cobre ......................... ...............47 2. 13. Impedancia percentual ........... ............. ............................................... 48 2.14. Rendimento do transfonnador................ ................................... ........49 2.15. Ensaios ............... ....................... .........................................................49 2.16. NoyOes de enralamento de rransfonnadores . ........................ .............. 54 2.17. Micrometro .....................................................................................................56 2.18. Exercicios de fixay.lio .............. .................................................................... 56 ..........................................................................B 9. Capitulo 3 - Transformador Trifasico............................................................................ 57 3.1. LntrodUl;:ao........................................................................................................ 57 3.2. Aspectos construrivos..... .................................................................. 57 3.3. Classes de prot~ao ................................. ..................................... .. 59 3.4. Transfonnadores trifasicos em paralelo ..... ................................... 60 3.5. Grupos de transfonnadores......................... ........................ .. ............. ... 60 3.6. Polariza!yao do transfonnador............... ............................................................ 60 3.7. Ensaios fisico-quimicos...................................................................................... 62 3.8. Liga~s em transformadores trifasicos ................... ................. ................... 62 3.9. Execu~i'io de medidas em transfonnadores trifasicos ......................................... 64 3.10. Ensaio: transfonnador trifssico ............................ .......................................... 65 3.11. Banco de transfonnadores monofasicos .......................................................... 73 3.12. Exercicios de fixar;ao..................................................................................... 74 Capitulo 4 - Oulros Transformadores............................................................................ 75 4.1 . Autotransformador... ........................... ................................................... 75 4.2. Autotransfonnador ajustsvel .......................................................................... 77 4.3. Transfonnador de potencial..... .................... .......... 78 4.4. Transformador de corrente ........................ ................ ................................. 78 4.5. Ensaio: regular;ao de tensilo em transfonnadores.. .................. 81 4.6. Exercicios de fixar;ao....................................................................................... 84 Capitulo 5 - Motor CC..................................................................................................... 85 5. 1. Introdur;ao........................ ................. ............................................ 85 5.2. Principio de funcionamento................. ............................................................. 86 5.3. Aspectos eonstrutivos .................................................................................... 88 5.4. Tipos de Jigar;ao e caractcristicas de funcionamento de motores CC................. 90 5.5. Comutador...................... .............................................................................. 95 5.6. Escovas e 0 ajuste da linha nculm ................................ ........................ 95 5.7. Identifiea!yao dos terminais das maquinas CC........... ......................................... 96 5.8. EletrodinamOmetro...................... ......................................................... 97 5.9. Ensaios: motor CC................................................................................... ........ 97 5.10. Exercicios de fixar;ao...................................................................................... 109 Capitulo 6 - Gerador CC............................................................................................... III 6.1. Introdur;ao.................... .................................................................... ill 6.2. Principio de funcionamento......................... ..... III 6.3. Excita~iio de campo shunt ......................................... ......................... 114 6.4. Gerador CC serie .......................................................................................... 115 6.5. Tipos de geradores CC autocxcitados ........................ .................. 116 6.6. Aplicacoes dos geradores CC... ............... 118 6.7. Ensaio: gerador CC ........................................... ..................... . 120 6.8. Exercfeios de fixacao .................. ..................... ...... 132 @. Maquinas EII!tricas ....... .......... .............................. ...... ......................... 10. Capitulo 7 - Motares Monofasicos CA ........................................................ 133 7.1. Introdm;ao ......................... ..................... .............. ....................... ..133 7.2. Motor de fase dividida ~ caracteristicas construtivas ............... .............. 134 7.3. Principio de funcionamento do motor de fase dividida... ...... 135 7.4. Motor monofasico com capacitor de partida....... ............ 138 7.5. Motor monofasico com capacitor pennanente ..... ........................................... 139 7.6. Ensaio: motor monofasico................................ .................. .............. 140 7.7. Exercicios de fixa~iio .......................................... ........................................... 152 Capitulo 8 - Qutros Motores Ligados aRede Monofasica ......................... 153 8.I.lntrodu~ao ...................... ................ ..................... 153 8.2. Motor universal: aplicavoes ...... ................................................... 153 8.3. Motor universal: principio de funcionamento..................... ............ 154 8.4. Motor de repulsao: aplica(j:Oes......................................................................... 155 8.5. Motor de repulsao: funcionamento ..................... .............................. ............. 156 8.6. Motor de campo distorcido ................................................................ ......... 157 8.7. Ensaio: motor universal ...................... ................................. ....... 158 8.8. Ensaio: motor de repulsao de partida .............. .................... .. 162 8.9. Exercicios de flXa~ao .. ........................................................ ......... 166 Capitulo 9 - Geradores CA ............................................................................................ 167 9.1.lntrodu~ao ....................................... .............................. ........ 167 9.2. Aspectos construtivos ................................................................................ 167 9.3. Funcionamento....... ................................................. ..... 16& ... 171 173 9.4. Sincronjza~ao.............................................................. ................ 9.5. Disponibiliza~ao de potencia 9.6. Ensaio: gerador trifasico CA 9.7. Ensaio: sjncroniza~ao com a rede 9.8. Exercicios de fixa~iio ..................... .............................................. 175 .......................................... 181 ........................................... 185 Capitulo 10 - Motores Trifasicos de ]ndu~ao CA ........................................................ 187 10.1. Introdm;ao .......................... ....................................... 187 10.2. Aspectos construtivos: molor trifasico com rotor gaiola................................ 187 10.3. Aspectos construtivos: motor trifasico com rotor bobinado ........................... 188 IDA. Motores de duas velocidades trirasicos ........................................................... 189 10.5. Frcnagem c1ctTomagnctica de motorcs............ .......................................... 192 10.6. Identificacao das bobinas .............................................................................. 192 10.7. Campo girante ................................................................................................ 193 10.8. Torque e potencia dos motores trifasicos ................. ............ 195 10.9. Testes de cotina em motores de indu~ao ....................... ................ 197 10.10. Ensaio : motor trifasico de indm;:iio com rotor gaiola ................................... 198 10.11. Ensaio: motor trifasico de rotor bobinado ................................................202 10.12. Exercfcios de fixayao ....................... ..................................... 208 ...............................................................................0 11. Capitulo II Motor Sincrono ....................................................................................... 209 11.1. lntrodUl;ao.......................................... ............................... 209 1l.2. Motor sincrono: funcionamento e operaryao ....... ....................... .......... 209 11 .3. Ensaio: molor sincrono............... .......... .... ............................... 2 12 11 .4. Exercicios de fixac;ao..................................................................... ..222 Capitulo 12 Motores de Passo e Servomotores.......................................................... 223 12.1.lntroduc;uo................................................................................................. 223 12.2. Malar de passo: aspectos gerais .... ...................................................... 223 12.3. Motor de passo de ima permanenle ...................................................... ........ 225 12.4. MOlor de passo de relutancia variavel ............................................................ 227 12.5. Servomotor.............. .......................................................................... 228 12.6. Ensaio: mOlor de passo.................................................................................. 229 12.7. Exercicios de fix3C;ao......................................... ........................................... 230 Apendice A Instrumentos de Medilj:3o ....................................................................... 231 A.I. Introdur;:ao.................... ................. ........................................................ 231 A.2. Ampcrimetro ..................................... ...................... .................................... 231 A.3. Voltimetro.............. .............. .................................. ............................. 233 A.4. Wattinletro ..................................................................................................... 233 Apcodice B NOIj:i'.ics de Eorolamento de Motores ...................................................... 241 B. I. Tipos de diagramas ..................................................... ................................... 242 8.2. Projeto de enrolamento de motor............ ......................................... 243 B.3. Idenlificayao dos tenninais de urn motoL ....................................................... 247 Apeodice C Ligalj:oes de Motores e Sistemas de Partida .......................................... 250 c. t. Ligayocs para motorcs monofasicos.... ............. .................................. 250 C.2. Partida manual para motores monofasicos .................................................... 250 C.3. Partida direta para mOlar triHisico.................................................................. 251 C.4. LigayOes de motores.... ............................................ .................. ....... 252 C.5. Cbave de partida estrela triangulo.................................................................. 254 Apendice D - For mulario e Conversao de Unidades ................................................... 256 0. 1. Nomenc1aturas da tensiio eh!trica ............. ....................................................... 256 0.2. Magnctismo e eletromagnetismo .................................................................... 257 D.3. Transformador monofisico............................................................................. 257 0 .4. Transfonnador trifasico ................................................................................... 258 0 .5. Motor monofasico ... ............................................. ........................... 258 D.6. MOlor trifasico ................................................................................................. 258 0 .7. Motorcs em geral ........................................................................................... 258 D.8. Conversao de unidadcs ..... ............................................................................. 259 Bibliografia ..................................................................................................................... 260 0L..............................'-!~~~;~~.~!~/:-.;~~~............................... 12. Prefacio A principia, 0 objetivo deste trabalho era fundamentar uma sequencia de ensaios e conhecimentos relacionados a maquinas eh~tricas para as cursos tecnicos de eletrotecnica, eletronica e eletroeletn3nica. Corn 0 tempo percebi que na~ apenas estudantes de cursos tecnicos precisavam desse conjunto de infonnayoes, mas estudantes dos cursos cientfficos tambem, pais poderiam seT muita uteis no desenvolvimcnto profissional. Existem otimos livros cientificos sabre maquinas eh~tricas corn anaiises matematicas, equacionamentos e que sao excelentes para 0 desenvolvimento do conteudo cientifico nesta area. A dificuldade de encontrar urn exemplar com conteudo basico, como descriyao de funcionamento e ensaios comprobat6rios, foi a grande motivayao para escrever este volume. Seria urn grande erro iniciar o estudo de uma maquina sem passar por aspectos basicos de funcionamento e caracteristicas eletricas. 0 estudo cientffico embasado num conhecimento previo e solido de uma maquina pode levar a resultados pniticos cxcelentes, enquanto somente 0 estudo teorico produziria apenas mais teorias. Por estes e outros motivos apresento ao colega leitor uma serie de ensaios preparados com an, e sua unidade no Sistema Internacional eo weber (Wb). No CGS a unidade e 0 maxwell (lMx ~ 10-8Wb) . As linhas ao redor do ima, cortando 0 ar, encontram "resistencia/oposit;:II.o". Existem materiais com urna boa "condutividade" magm!tica, baixa "resistencia" as linhas, c outros com uma pessima "condutividade" magnetica, que ofereccm "resistencia". A essa "condutividade" da-se 0 nome de permeabilidadc magnetica, fl. Essa unidadc indica 0 grau de rnagnetiza.;ao do material. No vacuo, a pcnnea- bilidade magnetica vale: ~O ~ 4n x IO-7 T m I A ~12,566 x lO-7T ml A (~'" ~O). Pode-sc deduzir que, se urn material e ferromagnetico, ele tern excelente permeabilidade rnagnetica. A tabela a seguir traz a permeabilidade rclativa de alguns materiais. Multiplicando esse valor pela permeabilidade no vacuo, obtem- se 0 valor de fl. Material ",Diamagneticos Duro 1-35 10 ' Mercurio 1-12 10- 6 PraIa 1-20 10-6 Agua 1-175 . 10-6 Zinco 1- 10 . 10-6 Paramagneticos Aluminio 1+22 ' 10 6 Pa13dio 1 + 690, 10-6 Platina 1+330 10 ' Oxigenio 1 + 1,5 10- 6 Ferromagm!licos Cobaho 60 Niquel 50 Ferro fundido 30 a 800 A,o 500 a 5000 Ferro para transformador 5500 Ferro muilo puro 8000 Metal urn (Ni+Cr+Cu+Fc) 100000 A permeabilidade ecafcu/ada, utilizando a lobe/a 00 {ado, do seguinteJanna: JI = WXJIO Se 0 malerialferromagm!tico utilizado Jar chapa deferro de exce/enle qua/idade. (eremos: pr "" 8000 No vaclloJlO == 4"x/O- 7 r ml A Porfalllo, JI ""wx JlO p==o,O/OrmIA Dbservar;i'i.o: Valorcs para 0 SI. Magnelismo e Eletromagnetismo f2i... ................. ... ~ 23. Vma grandeza importantissima e a densidade de fluxo magnetico ou, simplesmente, indu~ao magnetica B. Essa grandeza expressa 0 nurnero de linhas de fluxo por sec;ao/area. Com ela e possivel justificar por que 0 campo magnetico em urn ima e maior nas extremidades. Sua unidade de medida no Sl e0 tesla (T), no CGS eo gauss (IG ~ 10-4 T) . o fluxo magnetico pode ser calculado pela equac;ao: e0 fluxo em weber NoCGS: B - gauss A-crn2 - maxwell A forc;a de atrac;ao de urn ima pode ser aproximadamente calculada pela equac;ao seguinte e depende da densidade de fluxo B e da sec;ao transversal A do irna (unidades do CGS): F(N) ~ B'(G)x A(cm') 2549400 Sendo: F em newtons B em gauss A emcmz I I B'(G)x A(cm') > x--x 10000' 10000 2x ~ar Na equac;ao original temos B em tesla, area em rn2 Como imas comerciais utilizam gauss e cmz, a equac;ao e adaptada, conforme demonstrado anteriormente. Considere l1ar = 12,747. 10-7 T.mlA (aproxirnadarnente 110). Aplica~ao: A forc;a aproximada de urn irna cilindrico de neodimio de 1 cmz de area e 12000 gauss ede 56,SN, aproximadamente 5,8 Kgf. CL..............................~~~~i~.~S.~~~t~.i~~~.. ......... . . ... . .. ... ...... . 24. 1.10. Eletrostatica Estc livro n~o tTabalha eletrostatica, mas [oi acrescentado este tcpieD devido it estreita liga9i1o entre efeitos magneticos e efeitos entre cargas elctricas. Tambem e verdade que numa visao microscopiea temos efeitos eletrostaticos em diversas situ8!yoes em maquinas eletricas, mas isso ealga complcxo demais para 0 proposito deste livro, enHlo vamos nos limitar a algumas infonna90es preciosas com rela~ao a este assunto. Alguns conceitos no estudo do campo e1etfieD sao parecidos com as conceitos do magnetismo, como atra9ao e repu!siio entre cargas e 0 mcio de intera9ao entre cargas eietricas, mas eoutro ramo da fisica, fundamentado no esrudo dos eietrons, enquanto 0 magnetismo estudado ate aqui esta fundamentado na teoria dos dominios (molecular). Ao estudannos eletromagnetismo, como 0 proprio nome da ciencia diz, existe a possibilidade de a indw;:ao magnetica agir sobre cargas elctricas no material e veremos que cargas ectricas em movimento dao origem a urn campo magnetico. Enfim, sao tres os campos diferentes: campo magnetico, campo eletrico e campo eletromagnetico. Pense sobre isso. 1.11. Eletromagnetismo Seculos se passaram. A eletricidade [oi descoberta e comcyOu a sec objeto de curiosidade dos cientistas e estudiosos da cpoca. Alessandro Volta construiu a primeira pilha eletrica, Andre Marie Ampere iniciou suas teorias sobre a corrente de eletrons, entre outras atividades irnportantes da epoca. Por volta de 1820, 0 fisico dinamarques Hans Cristian Orsted fez urn experirnento simples que certamente [oi 0 ponto de partida para a evolw;:ao tecnologica que alcanyamos hoje. Orsted queria provar a relayao entre a corrcnte c1etrica e 0 magnetismo. Ele deve ter observado alguma aJterayao da indicaCao de uma bussola, a qual estava proxima de urn circuito eletrico. Para provar a relay30 entre e1etricidade e magnetismo, ele se utilizou de urn circuito parecido com represcntado na Figura 1.7: Corrente ekHrica ,---~N: Campo produzido Figura 1.7 .........................~~~~~i~"!.~~.~~~l~~~~~~~i~~~. ................ . .... 25. Quando 0 interruptor eacionado, urna corrente eJerrica percorre 0 condutor no sentido eletronico do - para 0 +. Uma bussola apontando 0 norte e com a agulha paralela ao condutor perdeu totalmente a sua orienta~ao ao ser acionado o intcrruptor. Esse experimento de Orsted deu origem a urn dos importantcs fundamentos do elctromagnetismo: quando por urn condutor circula uma corrente de eletrons, surgem ao rcdor desse condutor linbas de campo magnetico, Figura 1.8. Faltava definir a orientayao do campo ao redor do condutor. + Figura 1.8 Na Figura 1.8 IItilizamo.~ 0 semido convencional da corrente eletrica. Para 0 sentido eletrOnico, real, inverta a polaridade, 0 semido da corrente e a diret;ao do campo ao redor do condillor. o fisico frances Andre Marie Ampere, que continuou a desenvolver estudos da relay30 entre eletricidade e magnctismo, em 1826, lanyou uma tcoria em que, segundo ele, todos os fenomcnos eletricos, do magnetismo terrestre ao eletromagnetismo. derivam de urn principio unico, que e a ay3.o mutua de correntes eletricas. Grande sujeito! Do trabalbo de Ampere surgiu a lei de Ampere, a regra da mao direita para o sentido convencional e a regra da mao esquerda para 0 sentido eletronico da corrente, que pcrrnitem, finalmente, definir urn sentido para 0 campo magnetico ao redor do condutor percorrido por uma corrente e1etrica. Figura 1.9. Figura 1.9 "Sentido do 93% 440 + 12 +20 D oiamento de transformadores Objetivo: Fomecer nocyoes de como eexecutado 0 enrolamento amador de transfonnadores de baixa teosao, os chamados pequeoos transfonnadores. & ..............................~~~~;~.~s.~~~~/:i~~~............................... 56. Atentyao ~ recomendavel que procure uma escola especializada em enrolamento de maquinas, se este for um assunto de seu interesse. Essas escolas possuem professores com Ion9a experiencia nesla arte que pocIem Ihe passar algumas tecnicas. Para enrolar urn transfonnador. alguns materiais e ferramentas precisam estar dispooiveis e em quantidade suficiente. A lista seguinte traz as ferramentas e materiais basicos que podem ser utilizados no enrolamento do urn transforrnador. 1) FME com as se~oes calculadas para 0 primario e secundario em quan tidade suficiente. Normalmente para estabelecer e5sa quantidade, ao desenrolar urn transformador queimado, os profissionais pesam 0 fio magnetico descartado para ter uma base de quanto vao gastar. 2) Papel kraft e papel cristal para isola~ao extema e entre camadas respectivarnente. 3) Barbante ou cadar~o para enrolamento para travar as tennina~oes das bobinas no carrete!. 4) Ferramentas: alicate, canivete, ferro de solda, bobinadeira com conta- -voltas. Para enrolar 0 transformador, acompanhe os seguintes passos: a) Primeiramente devemos preparar 0 carrete! para 0 enroiamento, cobrindo a base interna com papel isolante cinza. b) Em seguida instalamos 0 carretel na bobinadeira e preparamos 0 rolo de fio magnetico esmaltado n~ 25, para enrolarmos as camadas das bobina5 do primario. Deixe uma sobra de fio para realizar as conexoe5 eh~tricas posteriores com a bobina. c) Nao se esque93 de colcear uma camada de papel isolante mais fino entre as camadas de espiras do prima.rio, aumentando a isolar;:ao. d) Terminado primario, deixamos uma sobra de fio para liga~ao extema e cobrimos primario com papel 1solaote cinza. e) Preparamos 0 rolo de flo n 19 para enrolannos 0 secundario. f) Novamente e necessario colocar uma camada de papel cristal entre as camadas de fio no secundario. g) Tenninado 0 secundario, cobrimos com papel kraft, soldamos cabos flexiveis as pontas de FME de saida e entrada do transfonnador. ,..........................:~~~~~~~~I~~~~~~~~~~~~c~ . . . ... . .. ................ .B 57. h) A ultima etapa inclui testes minimos para verificar se seu transforrnador pode receber tensao e realizar a funao a que ele se destina. Para isso realizamos testes como isoia3o, continuidade. resistencia ohmica das bobinas e ensaio de reia30 de transfonnaao. Voce deve ter notado que a seao dos condutores utilizados para enrolamento de rnotores e transfonnadores edada em fraao de milimetro. Para executar medidas nesses condutores e determinar sua se8o, utilizamos urn instrumento chamado micrometra. Com 0 micrometro podemos medir 0 diametro de finissimos tios magneticos csmaitados, consultar a tabela do fabricante e determinar sua se30 em AWG. Existem micrometros mecanicas e os mais modernos, que sao digitais, os quais agiiizam extremamente a mediao em produao, pois tem 0 resultado indicado diretamente no display. t) Descreva 0 funcionamento do transformador. 2) Por que 0 transformador nao funciona se aiimentado com tensao continua? 3) Por que 0 nueleo dos transformadores nao ede ferro maciyo? 4) Qual a finaiidade dos ensaios a vazio e em curto-circuito? 5) 0 que influencia a densidade de corrente do fme e qual componente do transformador sera afetado por essa escolha? 6) Projete urn transfonnador com as seguinles especificaoes: potencia do secundario = 100 VA, primario = 220 V e secundario 24 V. 7) No ensaio de um transfonnador monofasico (2201l 10V-2A) foram colctados os seguintes dados: Uo = 220 V. Po = 20 W, 10 = 160 rnA, Ucc = 6,2 V, Icc = 2A e Pce = 10 W. Determine os parametros do circuito equivalente do transformador, 0 fator de potencia em vazio e no ensaio de curto-circuito. Maquinas EM/ricas ....-... ..._ .. ........... ...... .... ... .................. .... .......... 58. Traosformador Trifasico 3.1. Iotrodu 110 Largamente empregado na industria e em sistemas de di stribui~ao, 0 transfonnador trifasico merece urn capitulo especial. Vamos estudar as aspectos construtivos mais importantes. polariz39ao do transfonnador, liga90es c aplic3r;oes. 3 2. Os transfonnadores trifasicos podem ser vistas como urn conjunto de tres transformadores monofasicos, Figura 3.1 . Ternos entao tres primarios e ao menos tres secunda.rios que devcm trabalhar juntos. Para trabalharem juntos, ex istcm alguns cuidados a serem tornados e observayoes a serem feitas, e a partir destas podemos estabelecer padroes de liga.y3o para 0 transfonnador trifasico e chama-los de liga930 estreia, ligay30 triangulo etc. H0 HlT f= Fe X0 Xl L H2 P l X2 l Figuro 3.1 H3 3t:::== X3 L h is enrolamentos primarios e Ires secundarios, cada qual em uma coluna do elllreferro do trunsformador. as terminais do primarioforam idenlificados com a letra H (0110 lensiio), 0 secundario com a fetra X (baixa rensiio). Transformador Trifasico f'5i...... ....... .... ..... ............................ .......... ... ... ........... - ~ 59. Sendo 0 transformador trifasico urn conjunto de tres transformadores monofasicos, inseridos no mesmo nueleo de ferro, ccorreto presurnir que esses transfonnadores deveriam ter as mesmas caracteristicas construtivas, nfunero de espiras, se~ao dos condutores, potencia e principalmente a impedancia percentual, que deve ser igual para os tres. Ern conjunto eles formam urn unico transformador trifisico. Para calcular a potencia de uma unidade trifisica fonnada por tres trans~ formadores de potencia nominal Sn, utilizarnos a seguinte equa~ao: Sn3F ~ 3 -Sn Urn transfonnador trifasico pode apresentar-se de diversas [ormas, Figura 3.2, mas sempre teremos 0 cuidado de dissipar, de alguma maneira, 0 calor desenvolvido pelo equipamento em trabalho. Para dissipa~ao de calor em transformadores de grande e medio portes, geralrnente 0 enrolamento penna- nece mergulhado em oleo isolante que esta ern contato corn as aletas extemas, melhorando a dissiparyao de calor. Transformadores menores tern seus enrola~ mentos em contato com 0 ar, que e suficiente para dissipar 0 calor gerado. Figura 3_2 - Tram/ormadores tri/cisicos. Normalrnente os transforrnadores trifasicos possuem uma caixa de ligar;5es ou bomes em que podemos efetuar as conexoes e ligar;6es. Para identificar os terminais do prirnario, e utilizada a letra H seguida do numero do tenninal e para identificar os tenninais secundarios, e utilizada a tetra X, tarnbem seguida do numero do terminal. Em transfonnadores de alta e media 60. tcnsoes, os bomes de liga~ao sao sustentados por isoladores que os mantem a uma distancia adequada da carcar;a do transfonnador. 3.3. Classes de E importante sabentar que, aMm das caracteristicas eletricas, os transfor madores devem ser projetados ou escolhidos de acordo com uma classe de proter;ao. 0 que vern a ser classe de proteryao? As caracteristicas de trabalho do transformador sao importantissimas, mas de igual importancia e0 ambiente em que esse transformador vai desenvolver esse trabalho e as proter;6es operacio nais que deve possuir. Para mensurar essas caracteristicas temos as classes de proter;ao indicadas peIo indice de protery8o IP, que e construido com dois algarismos, 0 primeiro da Tabela 1 e 0 segundo da Tabela 2. Numeral Dcscri-;l'io sucinta do grau de prote~l'io 0 Nao protegido I Protcgido contra objetos solidos de 0 50 mm e mais 2 Protegido contra objetos solidos de 012 nun e mais 3 Protegido contra objetos solidos de 0 2,5 mm e mais 4 Protegido contra objetos solidos de 0 1,0 mm e mais 5 Protegido contra poeira 6 Totalmente protegido contra poeira .Tabela I - Graus de prOler;iio comru a penetrar;ao de obje/os solldos eSlfanhos indicados pelo primeiro numeral caraClerislico. Numeral Descri~ao sucinta do graD de protc.;ilo 0 I 2 3 4 5 6 7 , Nilo protegido Protegido contra gotas-d'agua caindo verticalmente Protegido contra queda de gotas-d'agua caindo verticalmente com involucro inclinado ate 15 Protegido contra aspersao de agua Protegido contra projer;ao de agua Protegido contrajatos de agua Protegido contrajatos pOlente.. Vrned ~ 36 V- - Coluna3 => Vrned ~ 18,3 V_ 10) Ligue em serie os conjuntos de bobinas do secundario da primeira e segunda colunas de acordo com a Figura 3.16. J8 JEFigura 3.16 Mera a tensiio nas extremidades das eolunas con/urme indicado. A tensiio indicada deve ser proxima da soma das (ensoes medidas nos seeundarios das colunas separadamente. Se niiofor, inverla a /igar;iio entre as eolunas. Anote 0 valor da tensiio medida. Vmedida = 53 V Nota Nesse momento numere as pontas dos secundarios, tendo em mente que, como estamos interligando colunas, devemos ligar saida com saida, pois ha defasagem de 1200 de uma coluna para aoutra. 11) Interligue as colunas 1 e 2 ja polarizadas com a coluna 3, como demonstra a Figura 3.17. ]88 JFigura 3.17 Mera a teusiio entre as eolunos 2 e 3, confonne ajigura ao lado. Obviamente 0 resultado deve aproximar-se da soma das tensoes individuais das duas colunas. Se hO/IVer lima diferenra signifiealiva, inverta os tenninais do conjunlo da coluna 3. Anore 0 valor da ten.~iio medida. Vmedida = _54,3 V_ 12) Numcre os enrolamentos em sequencia de acordo com 0 resultado obtido e como exemplificado em seguida. Figura 3.18 Apos marcadas todas as bobinw. com os respeetivos numeros, ehom de feslar os esquemas de /igar;oes para u lran.~tormador. Niio se esquer;a de que, apos realizada a ligariio no primario, os terminais passariio a ser identiJicados como H1, H2 e 113 0 secundario eomoXI, X2 eX3. & Maquinas EMtrieas ..... .. ..... ..... ............................ ........ .... ..... ..... ..... ... ... 72. Para verificar se esta tudo ligado corretamente, utilize a liga((ao estrela 12 pontas para 0 secundario, ligue 0 primario em estrela e ali- mente com 220 V. Me((a as tensoes de fase e de linha no secundario. Se houver diferen9as, proceda como exemplificado no item 6, Figura 3.13, aplicando ao secundario. Os resultados dos testes no secundario podem ser vistos a seguir: UF_R ~ 72 V, UF_S ~ 72 V, UF_T~ 72 V U]S ~ 124 V, U_ST ~ 124 V, U_RT ~ 124 V 3.10.2. Testar liga~Oes e rela~oes de transform'!S",ilo,,-_ Objetivo: Verificar as possibilidades de ligayoes para a transfonnador trifasico disponivel. Anotar todos os valores de tellSao de fase e de linha possiveis. Aten~ao Sempre que for realizar alterayao nas ligaes do transfonnador, desligue a alimentayao. Mantenha 0 transfonnadof energizado apenas enquanto estiver realizando medies. 1) Teste cada urn dos esquemas de liga((ao, anote a tensilo de linha medida para as liga90es triangulo e as tensoes de hnha e de fase para as ligayoes estrela no secundario. Pl"imario 6 6 6 6 Secundario A !.A 6 ZZ UL=220 UL=111 UL=127 UL- I90 Tensoes de UF=127 Uf=63 Uf =127/63 UF"' lll164 linha e de rase medidas nas UL- 220 UL*111V UL- 127 UL" l90 rases R, SeT UF- 127 UF=63V UF"" 127/63 UF- l 11164 rcspectivamcntc em volts UL=220 UL~1I1 UL=I 27 UL- I90 UF- 127 UF063 UF- 127/63 UF- l 11164 ........................... .. .~~a.~s(~~~,~~~~~.~~~~i~'~............ .. ... . .... . ... B 73. Primario I. I. A A ). Secundario ~ M H ZZ A UL= 74 Ul.=36 Ut =63 Ul-ll1 Ul- 128 Tens3es de UF- 74137 UF- )6 u r" 36 UF=62137 UF=74 linha e de rase medidas nas UL=74 Ul=36 UL=63 UL=lll UL=128 fases R, SeT UF=74137 UF=36 UF=36 IJF=62137 UF=74 respeclivamcnte em vOllS Ul =74 UL- 36 Ul-63 Ul - III UL- 128 UF-741l7 UF-36 UF=36 UF=62137 UF=74 2) Construa duas tabelas scmelhantes as anteriores e anote os valores calculados para as liga~oes. Utilize a relar;ao de transforma~ao encontrada e considere para ligay3.o triangulo UP = UL e para liga~ao estrela UL = UF x.J3 . Para Jigar;:ao ZZ considerar UL;::: UF x.fi nas extremidades e UL = UF x 3 no joelho. Compare sellS dlculos com os valores medidos. 3.10.3. Ensaio de olariza 80 or olpe indut'v Objctivo: Detenninar a polaridade das bobinas do transformador atraves de golpe indutivo aplicado no Iado de tens3.o mais alta. Importante o golpe indutivQ deve ser apficado do fado de alta para 0 fado de baixa tensao. Desobedecida esla regra, 0risco de descarga efetrica eaftissimo. Figura 3. /9 o ensaio de polaridade por golpe indutivo e mais simples de ser realizado, mas exige urn instrumento nao convcncional para indicar 0 sentido da corrente do golpe, 0 galvan6rnetro. Alem disso, sao necessarios uma fonte de corrente continua e urn botao de pulso em sene para comandar 0 pulso de tensao aplicado no primario. @L............................. Mtiquin.~s.~~~~r:~~~. ................. 74. o galvanometro deve suportar 0 golpe refletido no secundario eo pulso de tensilo deve ser aplicado sempre no enrolamento de tensilo mais alta com tensao continua calculada. 0 procedimento desse ensaio e ligar 0 positivo da bateria a dctenninado terminal do enrolamento e marcar esse terminal com urn ponto (como na figura anterior). Aplicado 0 golpe, 0 sentido da corrente refletida no galvanometro deve ser positivo e 0 mesmo para todos os enrolamentos do lado de tensao mais baixa, sendo marcado com ponto tambem. 3.11. Banco de transformadores monofasicos Aplicando os conhecimentos adquiridos, e possivel montar uma unidade transformadora trifasica com tres transformadores monofasicos. 0 aspecto geral da montagem fica como representado na Figura 3.20. Primano R 4 5 2 5 S 3 6 Figllra 3.20 R 4 2 5 5 3 S 6 Secundano Temos Ires tronsfomwdores monofasicos com polm'idades igllais trabalhando juntos em um sislema trifilsico. 0 primario e 0 secunddrioforam fechados em e:,trela 110 exempio. Se houver disponibilidade de tres transformadores monofasicos com rclayao de transformayao, impedancia percentual e defasagem angular seme- Ihantes, epossivel realizar 0 experimento. No exemplo citado temos tres transformadores monofasicos 220/127 V fcchados em estrela e ligados a uma rede de 380 V. Na saida temos uma rcde trifasica de 220 V com tensao de fase 127 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .T~a.,~s!~~~~~~~~.~~~~~i~~. ... . . .. .. . .. . . .. . . . .. . .... j) 75. 1) Cite algumas aplicayoes do transfonnador trifasico. 2) Utilize as tabclas de c1asse de proteryao e defina que tipo de proteyao possui urn transfonnadar com IP 62. 3) Para que serve 0 oleo no transformador? 4) Quais os testes de rotina que devem ser realizados em urn transfonnador trifasico? 5) Descreva brevemente 0 ensaio de polarizayao por CA. 6) Qual 0 valor da tensao de fase no secundario de urn transformador fechado em estrela se medinnos 127 V de tensao de linha no secundario? 7) Quais as condiyocs para que seja possivel ligar dois transformadores trifasicos em paralclo? 8) Descreva 0 ensaio par golpe indutivo. 0L..............................~~~~i~.~S.~:~t~.i~~~.._............................ 76. Outros Transformadores 4.1. Autotransformador Para reduzir custos Oll em situar;oes especificas, pode-se optar pela utilizayao Oll construy3o de urn autotransformador. Elc mio diferc muito de urn transfonnador monofasico no que diz respeito aD ferromagnetico desse equipamento. A grande diferenya e, consequenternente, 0 segredo esta no sistema de bobinas. No autotransforrnador miD ha mais primario e secundario como dois enrolamentos distintos, na verdade temos apenas urn enrolamento que serve como primario e como secundario aD mesmo tempo, Figura 4.1 . Com isso se esperam menos perdas no cobre e consequente aumento no rendimcnto. 0 aspecto comercial de urn autotransforrnador para uso domiciliar pode seT visto na Figura 4.2. Figura 4.1 Figura 4.2 Obviamente h --+ +- lOA Figura 4.3 Em outro exemplo, se desejamos uma potencia de 300 VA na saida, a entrada deve suprir a futura dernanda. Portanto, para urn transfonnador de 300 VAli i0 V no primario e 48 V no secundario, temos Iprimaria = 2,73 A. Para a secundario, de mesma patencia, desconsiderando perdas, temos uma corrente Isecundario = 300 VAl48 V = 6,25 A. Conclusiio: Se fabricannos 0 autotransformador com 0 condutor dimen- sianado segundo a corrente primaria, ocorrem perdas enormes, aquecimento e posslvel queima (S = 48 V x 2,73 A = 131 ,4 VA) se ultrapassada a potencia maxima com esse condutor, 0 que nao eraro de ser observado em transfonnadores e autotransformadores de procedencia duvidasa. Figura 4.4 & ..............................W:~~~i~I.~S.~:~~r!~'a:............................... 78. A aplicac;ao de autotransfonnadores eindicada quando nao ha necessidade de isolaryao eh~trica entre primario e seeundario e a reduc;ao de tensao nao u1trapassa 50% da tensao primaria, como, por exemplo, 0 autotransfonnador trifasico para sistemas de compensac;ao de partida de motores (chave compensadora), que possui taps de 50%, 65% e 85% da tensao de entrada, Figura 4.4. Existem situac;oes em que encontramos a filosofia do autotransfonnador aplicada em outros dispositivos. Em aplicac;oes CC em que se deseja uma elevada tensao CC de salda a partir de pulsos de entrada, pode-se utilizar autotransformadores desenhados e projetados para esse fim. Exemplos: bobinas de igniyilo, flybacks etc. Em equipamentos industriais, ern que existe uma fonte de CA ajustavei, e comum encontrar como elemento ativo dessa fonte urn simples autotransfonnador ajustavel. Como dito anteriormente, uma razao forte para isso ca economia, outra a simplicidade de urn autotransfonnador ajustavel, Figura 4.5. Nonnalmentc, por questao fisica do equiparnento, 0 enrolamento ebobinado sobre urn nueleo em fonna de toroide. ]sAl'"' Prim6rio Secund~rio Figura 4.5 Aproveita-se 0 mesmo enrolamcnto primario como secundario, mas desta vez a saida funciona selecionando 0 numero de espiras necessarias para produzir determinada tcnsao na saida do transformador. Em laboratorios encontramos autotransfonnadores ajustaveis que operam em equipamentos como 0 VARlAC. Urn ponto irnportante e que mesmo em equipamentos comercializados nao se leva em consideraC;ao e que 0 fusivel de protec;ao nesscs equipamentos, por ser indutivo, nao deveria scr de aryao nipida. .............................~~~~~s.:~.~~~~~~,~~.~~~e:~.............................B 79. ____....;z:"""'Transformador de otencial As aplica~oes para transfonnadores sao muitas, mas em alguns cases csses equiparnentos tern papcl tao importante em uma aplicafYao que recebem urn sobrenome. 0 transfonnador de potencial, Figura 4.6, por exemplo, eutilizado em sistemas de prote~ao para sistemas de potencia. Figura 4.6 Suponhamos urn sistema de patencia em 13,8 KV que necessite de sinaliz3Y3.o de nivel de tcosao na porta do seu painei de comando. E6bvio que nilo podemos instalar urn voltimetro de paineJ que meya diretamente os 13,8 KY. o transfonnador de potencial, oeste casa, participa do sistema de mediyao, abaixando 0 nivel de teosao para seT aplicado ao voltimetro. 0 voltirnetro possui escala de 0 a 13,8 KV proporcional abaixa tensao aplicada. o transformador de potencial tarnbem pade ser usado para acionar as bo binas dc gatilho de disjuntorcs dc alta tcnsao, pois sena inviavel comand6las em alta tensao, sendo aplicados em sistemas de prote~ao. o transfonnador de corrcnte tambem e urn cquipamento de extrema impuTlam:ia em sistemas de patencia. Assim como a transfonnador de potencial, podemos encontrar transformadores de corrente para medi9Zio, Figura 4.7, e para prote9ao, Figura 4.8. Sua aplica9ao pode ser deduzida da necessidade de indica~ao da corrente de linha em urn sistema cuja corrente instantanea e2000 A. Como podemos ler cssa indica9ao de corrente em urn painel de comando? E: neste caso que entra 0 transfonnador de corrente. Com rela9ao de 2.000 A f'78 Maquinas Eielricas ~ ............... ..... .................... ................. ..... ..... .... .. .... . 80. para 5 A temos urna corrente reduzida em sua saida, mas equivalente acorrente real mcdida. Existem outras reiafYoes de transforrna~ao. Para tcr acesso a elas consultc os diversos fabricantes de les presentes no mercado. Figllra 4.7 Figura 4.8 Ha uma diferenya entre os transformadores de corrente para mediyao e os transformadores de corrente para prote~ao, principalmcnte no aspecto construtivo. Primeiramente veremos a maxima corrente de secundcirio em regime pennancnte, que deve ser iguai anominal descrita no manual do transfonnador, por exemplo, 5 A. Em regime transit6rio, isto e,em situac;;oes em que a corrente ultrapassa a nominal por algum tempo, deve-se consultar 0 fabricante a respeito do tempo que 0 transformador pode suportar uma detenninada sobrecorrente. Em transformadores para protefYao, a tensao de isoJac;;8.o do TC emaior e a corrente transit6ria suportada mais ampla. Os manuais de fabricante geralmcnte vern com todas as especificac;;oes necessarias ao projeto e epossivel notar isso. Alguns aspectos importantes com relayao ao TC s6 sao entendidos com urna pequena analise matematica do dispositivo. A Figura 4.9 mostra 0 modele matematico do TC. .l!'- Sende: L" IP = corrente primaria Xmog 11 = corrente secundaria total+-- 'mog Is = corrente secundaria '"' Xmag = reatancia de magnetizat;ao A dJ's Xd = reatancia do amperimetre Figura 4.9 E = tensao nos tenninais do TC .... .........................~'.I~~~~~:~~~'~~~I"~~~~~~s.............................B 81. Supondo urn TC com reiayao 500/5 A, instalado em um sistema com Jp = 500 A e corrente secundaria = 5 A, temos a seguinte situayao: 11 = 5 A, E = 10 V, Imag =0, I A, Is = 4,9 A, lido no amperimctro. Calculando, temos: Xt ~ Xd II Xmag ~ E l ls ~ 2,04 n Se 0 transfonnador de corrente for aberto, isto e, 0 amperimetro for retirado dos tenninais de mediyao, a tensao nesses terminais sobe consideravc1- mente, pois a reatancia de magnetizayao, que e alta, e 0 unico caminho para a corrente de 5 A: Xt ~Xmag Aplicando essa corrente a curva de magnetizayao do TC, Figura 4.10, temos uma tensao de 800 V. 0 TC pode nao resistir a essa tensao e havera uma ruptura dieletrica. 4.80 E(V) 800V -----------------. ~__r- 10 O,IA SA Figllra 4./0 Imag(A) Observe a tensiio nos terminais do TC de acordo com a corrente de magnetizariio. Fica claro que essa corrente delle ser man/ida baixa, portanto nada de abrir os lerminais do TC enquanfO de frabalha. A curva de magnetizariio efornecida pelof abriconte. A instalayao c~rreta de urn instrurnento de mediyao de corrente eventual ligado a urn TC pode ser observada na Figura 4.11. Figllra 4.1J Sendo bI urn botao de leitura que, ao ser pressionado, permite que a corrente do sccundario do TC chegue ao ampcrimetro, possibilitando a leitura. Para instrumentos que rcalizam medidas constantes, deve-sc ligar 0 amperimetro direto ao TC, com 0 cuidado de realizar a conexao com 0 sistema desligado. Se nao for possive!, feche os terminais do TC em curto, conecte 0 amperimetro e entao retire 0 curto. ~ Maqllinas Elefricas ..... ........ ... ......... ................................. ..... ............. 82. 4.5. Ensaio: re u1m:iio de tensiio em transformadores Objetivo: Estudar 0 comportamento da tensao de saida do transformador com 0 aumento de corrente para os tres principais tipos de carga: rcsistiva, indutiva e capacitiva. Equipamentos utilizados: transfonnador isolador 1201120 V, fonte CA ajustavel de 0 a 220 yeA, conjunto de capacitores, conjunto de indutores e conjunto de resistencias, lodos com reatancia equivalente as indicadas nas tabelas de ensaio e dissipay30 de potencia adequada. Sao necessarios dois amperimetros CA e dois voltimetros CA que [a9am a leitura dos niveis de tensao utilizados com seguranya. Nota Podem ser ulilizados Quiros transformadores com valores diferenles e reatancias lambem diferentes como carga. Apenas refaga as labelas e os graficos de acordo com seus equipamentos. Aanalise final deve leva-Io as mesmas concius6es. Procedimentos 1) Monte 0 circuito representado na Figura 4.12. Mantenha a fonte CA desligada. Figllra 4.12 2) Monte inicialmente a tabela para cargas puramente resistivas, Tabela 4.1. Com 0 secundario aberto, sem carga, ligue a fonte e ajuste-a para 120 VCA. Anote os valores lidos no voltimetro, no amperimetro do secundario e no amperimetro do primario na Tabela 4.1. ZL (ohms) I primario (rnA) I sccundario (mA) V sccundario M Scm carga 20 0 120 1200 100 100 119 600 200 190 117 400 290 285 11 5 300 395 380 112,5 240 480 475 110 Tabda4.1 3) Desligue a fonte, aplique a carga de 1.200 .0., religue a fonte, execute as medi~oes e preencha a tabela como foi feito na Tabela 4.1. Repita Qutros Tramfonnadores f8l...... ... ... ..... ... ...... .~ 83. o procedimento para os Qutros valores de impedancia de carga constantes na tabela. Ao tenninar, desligue a fonte. 4) Construa urn grafico que exprcsse a variat;:ao de corrente e tensao no secundario em funt;:ao da carga purarnente resistiva aplicada. 125 120 ~ 115 ~< 110 '" 105 100 0 100 200 300 400 500 Corrente (rnA) 5) Repita os procedimentos dos itens 2 e 3, agora para cargas indutivas, e preencha a Tabela 4.2. ZL (ohms) I primario (rnA) I secundario (rnA) V secundario (V) Sem carga 20 0 120 1200 105 100 118 600 202 197 115 400 300 290 112 300 375 370 110 240 460 450 108 Tabela 4.2 6) Construa urn gratico que expresse a variat;:ao de corrente e teosao no secundario ern fun((30 da carga indutiva aplicada. 120 ~ 115~ ,~~ ; ]]0 105 100 o 100 200 300 Corrente (rnA) 400 500 (L..............................~~~I~i~.~S.~~~~'.i~~~......... . . .. .. .... . . . . ... 84. 7) Repita os procedimcntos constantcs nos itens 2 e 3, agora para cargas capacitivas, e preencha a Tabela 4.3. ZL (ohms) I primario (rnA) I secundario (rnA) V secundario (V) Sem carga 20 0 120 1200 105 100 122 600 202 230 125 400 300 330 127 300 375 445 130 240 460 530 132 Tabela 4.3 8) Construa urn grifieo que expresse a varia~ao de corrente e tensao no secundario em fun~ao da carga eapacitiva aplicada. 135 130 ?: ~ 125 c '" 120 115 0 100 200 300 Correnle (mA) 400 500 600 9) Analise os dados obtidos e os graticos eonstruidos e responda as questoes a seguir com relayao ao ensaio: a) Calcule a regulayao de tensao ern % do transformador para cada tipo de earga, utilizando os dados do ensaio com carga puramente resistiva, puramente indutiva e puramente capacitiva. Utilize a fannula: R% Sendo: UsaidaSC - UsaidaCC x 100 UsaidaCC UsaidaSC = tensilo de saida scm carga UsaidaCC =tensao de safda com carga . ... . .. .. ...... . .... . ......~~~~~~:~~~~~~~~~~.~~~e~. ....... . . ... . .......... . .. 85. b) Por que a tensao na carga elevou-se com a elevayao da impedancia da carga capacitiva? c) Pense bern! Se tivennos as mesmas condiyoes de earga em potencia (VA) para carga resistiva, indutiva e capacitiva, qual desses tipos de carga produziria menos aquecimento do trans- fOl1llador? Por que? 4.6. Exercicios de rlXa 30 1) Quais as vantagens e desvantagens de urn transfonnador cornum com relayao a urn autotransfonnador? 2) Cite urn exemplo de aplicayao de autotransfol1llador ajustave1. 3) 0 que etransfonnador de potencial e qual a sua aplica9ao? 4) Qual a aplicabilidade de urn transfonnadoT de corrente? 5) Quais as diferenyas entre transfonnadores de corrente para mediyao e transfonnadores de corrente para protey80? 6) Par que nao podemos deixar a sectmdario abcrto ern urn transformador de corrente? 7) Dcscreva 0 procedimento basico para tToca ou instalayao de amperimetro ligado a urn TC com 0 sistema energizado e com 0 sistema dcscnergizado. 8) Monte urn experimento, ao menos teanco, para levantar a curva de magnetizayao de urn TC. ~...... ............ . .........~~~l~i~~.~~~~r!~~~............................... 86. Motor CC o motor de corrente continua nao deveria sec urn misterio para ninguem, pais quase lodos, conscientemente Oll nao~ manipulavam urn brinquedo quando criao'Y3, cuja fon;a motora era exemplo desses motores. Quando nos referimos a urn motor, lcvamos em considera'Y3o 0 seu tipo de alimentavao. Obviamente, os motores CC sao alimentados por corrente continua. Essa tensao aplicada ao motor tern por finalidade energizar os enrolamentos no motor, produzindo polos eletromagneticos que fonnam a for9a magnetomotriz. Ha alguns anos pcsquisadores e cientistas da area de engcnharia eletrica desenvolvem equipamentos e novos motorcs que padem, em muitos casos, suhstiruir os motores de Cc. Em outras situ3'Yoes, ainda e compensadora a utiliza9ao desse tipo de maquina. A principal aplicay30 do motor CC esta ligada ao controle de vclocidade com necessidade crftica de torque, isto e, motores de corrente continua sao excelentes escolhas quando necessitamos manter urn torque consideravel, mesmo variando a velocidade. Atualmente cpossivel variar a velocidade de motores CA com inversores de frequencia, mas em algumas situayoes esse tipo de conjunto simplesmente nao atende as condicoes de torque exigidas e traz outros problemas, como a poluicao da rede, que talvez 0 futuro resolva. Podemos encontrar motores CC ao abrir e fechar vidros, partir rnotores, no metro, em tr6lebus, enfim, em uma infinidade de apiic3yoes. . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~~t~~.~~..................... . . . ..... . .... 87. cionamenJo Para demollstrar 0 principio de funcionamento do motor ee, vamos reduzi-Io a tres componentes basicos, que sao bobina, campo magnetico fixo e comutador, Figura 5.1. Podemos apontar quatro estagios fundamentais para analisar 0 funcionamento do motor cc. Alem disso, vamos utilizar uma variante da regra dos tres dedos da mao direita, a regra da mao direita para motores, Figura 5.2, para determinar 0 scntido de rotayao do motor. Figura 5.1- Primeim esttigio. Figura 5.2 - Regra da mao direifa para matures. o po/egar indica 0 sentido da/orra, 0 indicador 0 sentido da corrente e 0 restanle 0 sentido do campo. 1) No primeiro estagio temos a bobina de uma espira posicionada paralelamente ao campo, totalmente atingida pelo campo rnagnetico criado pelo fma fixo. A bobina esta sendo alimentada pelo comutador com polaridade mostrada. Sabemos que pelas leis do eletromagnetismo, essa espira percorrida por uma corrente eletrica produz outro 88. campo magnetico em tomo da espira que causa urna rear;:ao da bobina dentro das linhas de fOf(;;a do campo fix~, detenninada pela regra da mao direita para motores. 0 dedo indicador aponta 0 sentido da corrente, 0 polegar a direr;:ao do rnovimento e os dedos restantes 0 sentido do fluxo. 2) No segundo estagio a bobina girou no sentido determinado e esta em urna posir;:ao em que e pouco atingida pelas linhas de forr;:a, portanto nao ha rear;:ao entre 0 campo fixo e 0 da bobina, mas esta continua a girar por ar;:ao da forr;:a anterior, ate atingir 0 pr6ximo estagio. Figura 5.3 - Segundo estdgio. A bobina girou no sentido indicado pe/o po/egar. de acordo com a regra da milO direita. Observe a marca~iiu nu comu/ador (/,2). No segundo esujgio a bubina sofre pOllca a~'iio do campo, mas passa para 0 proximo es/agio ]Jor can/a da w;:r"io anterior. 3) No terceiro estagio h3 urna inversao da posi~ao da bobina, mas ncste caso e que entrou 0 comutador. Sua fun~ao e manter a corrente circulando sempre em urn sentido. Se voce observar, 0 cornutador inverteu as pontas da bobina, fazendo com que 0 polo positivo fosse aplicado na extremidade superior, como no estagio 1. Com isso temos uma repetirrao do estagio 1, em que a corrente aplicada abobina cria urn campo magnetico ao seu redor que age com 0 campo magnetico fix~, produzindo uma arrao fisica da bobina na direrrao indicada pelo polegar. ......... .. ...... ...... ...... ... .. .~~t~,..~.~...... .... ..... ... ... ....... .......B 89. Figura 5.4 - Terceiro eslagio. Figura 5.5 Quarto estcigio. 4) No quarto estagio temos uma posi'Yiio intennediciria em que a bobina esta inclinada com relacao ao campo em urn angulo de aproximadamente 30. Esse estagio serve para comenlannos a acao continua sofrida pela bobina com a interacao dos campos. Essa a'Yao tern seu maximo no estagio 1 ou 3, e ate que atinja 0 esrngio 2, tern sua forc;:a reduzida confonne 0 aumento do angulo, sendo 0 no cstagio 2. 0 motor passa do estagio 2 ao 3, au do 2 ao I, pois a forca produzida no estagio 1ou 3 e suficiente para que ele tenha urn deslocamento maior que 90. Estc C 0 funcionamento, descrito de forma simples, para os motores de corrente continua de urn modo generico. Mais a. frente vai notar que nao e tao simples assim, mas eurna base estruturada para aplicar nos desafios que vao surgir, pais teremos de lidar com tennos mais tccllicos e fenomenos urn pouco mais complexos, como a forc;:a contraeletromotriz (FCEM). 5.3. As tos construtivo Os motores de corrente continua, em termos de manutenc;:ao e ~as, sao bastante complexos. Eles exigem conhecimento, habilidade e urn programa de manutcnc;:ao cficiente. Sua aplicaCao em sistemas de controle de velociuaue em que 0 torque e urn item impoI1antissimo, em alguns casas, ainda nao encontrou substituto tao eficiente, como 0 caso de pontes rolantcs em indlistrias siderurgicas. A eficiencia tern urn pr~o. Os sistemas eletronicos de controlc de velocidade e 0 proprio motor CC dcvem ter urn plano de manutemr30 especifico, pois 0 desgaste de algumas ~as pertencentes ao motor e a satura'Yao de alguns componentes eletronicos ~o evidentes e proporcionais a. utilizaCao dos sistemas. @...............................~~~~i~.~.~~~~.i~~~. . ... , ... . .......... . ... .... 90. A melhor maneira de conhecer as partes componentes de uma maquina CC evisualizando-as, Figuras 5.6 e 5.7. Figl/ra 5.6 Armadur a. Figura 5. 7 Armadllra dcn1ro do es1aror. Uma descrl'Yao minima das partes envolvidas completa de fonna sucinta a apresentacao do motor: I) Estator: este ea nome dado aparte fixa do motor, que pode canter urn au mais enrolamentos par polo, todos prontos para receber corrente continua e produzir 0 campo magnetico fixo. 0 cnrolamento no estator pode ser chamado de enrolamento de campo. Cada enrola- menta por polo no estator pode conter urn enrolamento de campo paralelo (shunt), construido com fio de menor Se((30 e muitas espiras e no interior do enrolamento shunt, podemos encontrar a enrolamento campo serie, construido com fio de maior seyao e poucas espiras. 2) Armadura: e urn rotor bobinado cujas bobinas tambem recebem corrente continua e produzem campo magnetico. 3) Comutador: garante que 0 sentido da corrente que circula nas bobinas da armadura seja sempre 0 mesmo, garantindo a repulsao continua entre os campos do estator e do rotor, 0 que mantcrn a motor girando. 4) Escovas: geralmente feitas de liga de carbona, estao em constante atrito com 0 comutador, sendo responsaveis pelo cantata el6trico da parte fixa do motor com a parte girante. Pode-se deduzir que as escovas sofrem dcsgaste natural com a tempo, necessitando de inspc'Yoes regulares e trocas peri6dicas. 5) Interpolos e compensa~ilo: enrolamentos inseridos no estator, entre os palos e na sapata polar respectivamente, ligados ern serie com a annadura. que reduzem as efeitos da reayao da arrnadura (deslocamento da linha neutral quando cia e percorrida par uma corrente significativa. Motor CC f89...... ... ..... ... .............................................................~ 91. 5.4. Tipos de ligat,:iio e caracteristicas de funcionamento de moto,!r~e~s ~C,-,C,,-____ Ligar urn motor de corrente continua envolve born conhecimento da aplica~ao que ele vai acionar e do proprio motor. Ate agora temos os cnrolamentos de campo no estator (shunt e serie), que podern ser cxcitados com tensao extema, e 0 enrolamento da armadura, Figura 5.8. A questao ecomo cancetA-los e com qual objetivo? 0 que acontece internamcnte em se tratando de campo magnetico? Enrolamento I A 5 C 3 E Note o.~ lem/inais J e 2 ligados as e.fcovas e em contatu com 0 comutador do annadura. oenmlamenlO shunt do estatorpos.wi a numero9iio 5 e 6, e a ser;e a nllmerar,:ao 3 e 4. Lembre-se sell/pre de que 0 enrolamento shunt eformado pOl' lIIuirus espiros de jio de menor .se~iio. enquwllo 0 enrolame/llo serie eforll/ado POI' poueas espiras de 11m 2 B 6 0 4 F fio de Sl'f;iio maior. Annl:tdura Shunt sene Figura 5.8 As bobinas de campo do estator alimentadas produzem campo magnetico no estator cujas linhas cortaram a annadura. Se houver uma forya eletromotriz (FEM) na armadura, ela gira e suas bobinas atravessam constantementc as linhas de campo do estator, criando na annadura uma for~a contraeletromotriz (FCEM). No que isso eimportante? Mcdindo a resistencia ohmica do enrolamcnto da armadura, podemos facilmente calcular, com a aux..ilio da lei de Ohm, a corrente que atravessaria esse enrolamento se fosse alimentado, isoladamente, com detenrunada tensao: Para que 0 motor gire, devemos fazer com que 0 enrolamento da armadura seja atravcssado por uma corrente. Essa corrente calculada nao condiz com a condi~ao da maquina em funcionamento, pois gra~as afor~a contraeletromotriz temos a equar;ao: I ~ (FEM - FCEM) / R @L............................ ~~~I~i~.~.~~~t~.i~~.~........ . ................ 92. Se aplicannos mais FEM, a corrente e a velocidade aumentam. Se diminu- innos a FCEM, a velocidade do motor tambem aumenta, podendo disparar. Quanto maior a ayao da FEM na annadura, maior a velocidade. Conclusao: A velocidade em urn motor de corrente continua esta relacionada com a FEM aplicada aannadura e com a FCEM gerada na armadura pelo campo magnetico do estator cortando a armadura. Anote isso! Importante Se urn motor estiver ligado ecom determinada rolagao, essa rotaQao tern relagao com a corrente Que circula na armadura. Como acorrente Que circula na armadura 9resultado da diferenc;a enlre FEM e FCEM, se perdermos 0 campo do estator e, consequen lemenle, a FCEM, a corrente aumenta significativamenle. 0 molor corre urn grande risco de "disparar" e sofrer danos medmicos em mancais, rolamenlos, buchas, al9m de colocar em risco as pessoas Que trabalham com ele. Tenha em mente: FEM: for'ra relacionada com a tensao aplicada aarmadura respon- savel pela corrente que circula por ela e que resulta em forya motriz. FCEM: tensao induzida na armadura quando esta carta 0 campo gerado no estator que se opoe aFEM. Essa farya deve estar sempre presente no motor Cc. Para evitar acidenles e prejuizos desnecessarios, vamos estudar as formas de ligayao do motor de corrente continua e suas aplicayoes. Sao tres as modos de ligayao: 1) Motor paralelo (shunt) A C 1 i----{5r----!lf o shunt esla em paralelo com a armadura e eSliio ligados aalimenfar;i1o. Pode-se Shunt Vee inserir 11m reostato em serie com 0 shunt " D2 6)---j7f+ Figura 5.9 para diminuir 0 flwco gerado e aumen/or a velocidade, mas deve-se ler 0 cuidado de noo eliminar 0 campo LOla/mente. Nesse tipo de ligay3.o, tanto a armadura quanto 0 enrolamento shunt do estator sao ligados em paralelo com a al imentayao. Como normalmentc a armadura e construida com fio mais grosso e menos espiras que a enrolamento .. .. .. . . .. . . ... .. .... . ..~~f~.r.~~..... . , . . . . .... .. . . . . ...... B 93. shunt do estator, a annadura consome mais corrente que 0 estator. 0 movimen- to de rotacao e 0 torque sao resultados da interacao do campo magnetico no estator com 0 campo magnetico na annadura criado pela corrente de annadura. Como a annadura e 0 enrolamento shunt esrno em paralelo com a alimen- taCao, se a tensao de alimentacao nao variar, podemos esperar uma rotacao constante na ponta do eixo do motor, scm carga. Ao aplicannos carga a esse motor, devido a resistencia no enrolamento da armadura, ha uma pequena queda na velocidade e no aquecimento. Quanto menor a resistencia da armadura, menos perda em velocidade com aumento da carga. 0 aquecimento se da pdo fato de impormos resistencia mecanica ao eixo, 0 que provoca reduCao na FCEM e, consequentemente, aumento da corrente na annadura para manter 0 torque. Conclusiio: Mantendo 0 campo shunt, a FCEM induzida na annadura impede que 0 motor atinja velocidades perigosas sem carga e este e0 grande atrativo desse tipo de ligacao. Se reduzirrnos, atraves de urn reostato, a tensao no enrolamento shunt, temos aumento de velocidadc, mas isso eextremamente perigoso. Oeve-se tomar 0 cuidado de nunca ahrir 0 shunt, sob 0 risco de 0 motor atingir velocidade muito alta, impondo riscos desnecessarios as pessoa.;;. Podemos esperar tambem uma boa regulacao de velocidade, pois com 0 aumento da carga, tem-se reducao da FCEM e consequente aumento da corrente de annadura, 0 que ajuda a manter 0 torque. 2) Motor serie ~------------~+ E .serle F 3 f-J"'>'--{4 Figura 5./0 Vtt altamcnte recomendavel que rnotores slirie partam com carga, pois com 0 torque efevado no partida, sem carga, eles telldem a alillgir velocidades que podem resflltar l1a destruir;iio do motor. Nessa ligacao temos 0 enrolamento da armadura e 0 enrolarnento serie do estator conectados em serie c ligados a alimentalTao. Existem entao dois enrolamentos com fio de certa se~ao circular e poucas espiras ligados em serie. Estando os dois enrolamentos em serie, e certo deduzir que 0 campo magnetico criado no estator depende da mesma corrente aplicada ao cnrolamento da annadura. & ...................._.._......~~~~i~.~.~~~~!~~~.,............................. 94. Se 0 motor e ligado sem carga, temos urn campo magnetico no estator que depende da corrente absorvida. Se essa corrente e baixa, 0 campo magnetico induz uma baixa FCEM na armadura e existe uma velocidade considenivel por conta da corrente e da FEM na annadura. Se aumentamos a carga, aumentamos a corrente de annadura e tambem 0 campo do estator, sofrendo urna queda consideravel na velocidade. Em compara'Yao com 0 motor shunt, 0 motor serie tern excelente torque de partida, mas uma regula'Yao de velocidade ruim, pais todo aumento de carga resulta aumento da corrente e consequente queda de velocidade. 1550 e espe- rado, ja que as enrolamentos estao em serie. Se aumentamos a corrente, 0 comportamento do campo nesses emolamentos e extremamente afetado. Quanto maior a corrente, menor a velocidade, pois temos uma FCEM mais atuante. A velocidadc no motor serie, par observayao, esta intimamente ligada a corrente sob carga. Se urn motor serie parte sem carga, corrente e FCEM baixas, a velocidade pode ser tao alta que ele se autodestruira, podendo causar serios danos as pessoas. Conclusao: 0 motor serie e excelente em aplicac;oes em que ha alta carga de inercia, como trens e aplicayoes com forte trac;8.o, tomando-se 0 cuidado de opera-Io sempre com carga acoplada. 3) Motor serie-paralelo (compound) C I-'---- - -----{s + Figllra 5.1/ Shunt Vee o 6}-- 12J sao dois os tipos de compound: 0 cumulativo e 0 diferencial; {udo depende da ligm;:ao du enrolamento de shunt. Para mudar de urn {ipo para 0 outro, hasta inverter a bohina de shunt. Corn 0 intuito de combinar 0 melhor da ligayao shunt com 0 melhor da ligayao serie, existe a ligar;:ao compound. Conseguimos a excc1cnte rcguiayao de velocidade do motor shunt com 0 excelcnte torque de partida do motor serie. Os motores compound sao utilizados onde ha necessidade de velacidade constante com variayoes extremas de carga. A ideia do motor compound e tamar passive! 0 aproveitamento do alto torque da ligay8.o serie, sem disparos de velocidade com cargas reduzidas ou nenhuma carga, em seguida usar a baixa variayao de velocidade do motor shunt sob diferentes situac;oes de carga. MolorCC ....... ..... .. ............... ................................................. 95. o motor einicialmente conectado como serio, mas corn 0 enrolamento shunt em paralelo com 0 conjunto "armadura e enrolarnento seriet!. 0 enrolamento shunt deve produzir campo magnetico com mesma direcyao e sentido ao campo produzido no enrolamento serie. Temos agora urn motor com torque alto na partida, mas com velocidade limitada, e conseguimos tambem que ele tcnha baixa variayao de velocidade, mesmo variando a carga. Esse tipo denomina-se motor compound cumulativo. Em algumas situa- ~5es, apos utilizada a caracteristica do motor serio, 0 enrolamento serie pode ser curto-circuitado para que nao interfira no trabalho de regulayao do enrolamento shunt. Algumas aplicar.;:oes requerem motores que aceitem queda significativa na velocidade com 0 aumento da carga. Podemos adaptar 0 motor compound para alender a essa necessidadc tambem, ligando a enrolamento shunt de modo que produza urn campo magnetico contnirio ao campo magnetico no enrolamento serio. 0 enrolamento serie ativo no motor produz um campo em oposiy8.o ao campo do enrolamento shunt, reduzindo a campo resultante, aumentando assim a velocidade, mas sofrendo a queda de velocidade com a aumento da carga, caracteristica do motor serie. Essa tecnica, quando utilizada, da ao motor 0 nome de compound diferencial. Os motorcs compound diferenciais tern aplicaryao limitada pelo risco de instabilidadc. 0 motor pode disparar sob certas condiyoes, pois quando a corrente de annadura aumcnta com 0 aumento da carga, 0 campo no enrolamento serie tambem aumenta. Como a campo nesse enrolamento esta em oposiyao ao campo shunt, 0 fluxo total e reduzido, consequentemente temos aumento na velocidade e 0 motor pode disparar. Quando e indispensavel a utilizay80 do compound diferencial, geralmente 0 fabricante produz motores com fraco campo do enrolamento serie, reduzindo os riscos, mas ainda assim a aplicary~o e Iimitada. Exemplo de aplica~ao: Urn elevador de carga que utiliza motor CC opera com ligay~o serie para subir carga, torque elevado necessaria. Para descer, nao havendo necessidade de torque, mas contrale de velocidade, opera com ligayao shunt. Quando sem carga au carga rcduzida, opera com ligayao compound. Para a estudo tcorico da maquina CC usamse equa~6es fundamentais da maquina CC que levam em conta a fluxo magnetico na maquina, a corrente na annadura, a velocidade e a constante da maquina. 0 torque em uma maquina CC pode ser calculado com: T(N.m) ~ K x (Wb) x I(A) em que K, a constante do motor, edefinida por: & ..............................~~~~i~~.~~~~r!~~~............................... 96. K = p x Z Sendo: P _numero de polos 2x1[xa Z - numero de condutores na annadura a - numero de caminhos paralelos na armadura o valor de a depende do tipo de enrolamento. Para cnrolamentos imbricados, a eigual ao nfunero de polos. A tensao gerada na annadura pode ser calculada por: Eg(V)=Kx 0,25 CV I CV ~ 736W 9) Qual a potencia absorvida da rede para realizar 0 trabalho do item 8? p entrada ~ 120 V x 2,45 A ~ 294 W 10) Sabendo a potencia de entrada e a potencia de saida, calcule a eficiencia do motor. Efi " Psaida 00 - 61"IC / o= xl - 10 Pent MolorCC ................. ..... ................ ... ............... ...................... ~ 105. II) Compare a corrente de partida com a corrente nominal aplena earga no ensaio e determine quantas vezes ela e maior que a nominal. Quatro vezes maior. 5.9.4. Motor shunt Objetivo: Neste cnsaio sao verificadas as caracteristicas do motor shunt quanta a veloeidade, torque, respostas corn carga e corrente de annadura. Como estudado em teoria, 0 motor shunt pode atingir velocidades perigosas em eertas cireunstancias, portanto siga todos as proeedimentos eorrctamente scm adaptayoes. Procedimentos 1) Execute as ligayoes eletricas de acordo com a Figura 5.18. Mantenha a fonte desligada por enquanto. 2) Acople 0 dinamometro ao motor e ajuste 0 dinamometro para carga minima, 0 N.m. A + lr-----~~Ar-~~_, v Shun1 + Voc 2)-B=----__-----i 6;:;D=----__-'--,0---' Figura 5.18 3) Certifique-se de que 0 reostato esteja com resistencia 0 entre os terminais conectados ao circuito, nilo interferindo nele. 4) Ligue a fonte CC, ajuste a tensilo aplicada lentamente para 120 Vee. Verifique 0 sentido de rotayao; se nao for 0 ideal, volte a 0 V. desligue a fonte, inverta a ligayao do shunt e repita 0 passo. 5) Observe os valores indicados no ampenmetro e no voltimetro. meya a rotayao no motor com urn tacometro, lentamente ajuste 0 rcostato para que obtenha uma rotayao aproximada de 1.800 RPM indicada no tacometro. 6) Registre as valores de tensao, corrente e veloeidade na tabela para esta situayiio de carga. Repita 0 registro para outcos valores tIe I:urgu indicados na Tabela 5.2. Para isso ajuste a carga aplicada ao motor no dinamometro, leia a corrente, a tensao e a velocidade e registre. 9.-..............................~~~'~i~.a:~.~:~t~.i~~~............................... 106. U (volts) Torque (N.m) I (amperes) Velocidade (RPM) 120 0 0,35 1800 120 0,35 1,05 1725 120 0,7 1,7 1664 120 I 2,35 1622 120 1,4 2,95 1585 Tabefa 5.2 7) Desligue a fontc. Corn os dados da tabela constma 0 gnifico que rcpresenta as caracteristicas de torque e velocidade do motor shunt ensaiado. 1500 1000 500 o o 0.5 1.5 Nm Figllra 5.19 8) Calcule a regula~ao de velocidade do motor shunt corn a equa~ao (carga I N.m): %reg _RP_M_s_em---c:-c:ca:-r~g,-a_-_RP__M_c_ar=g,-a~t,-o_ta_1 x 100 = 10,9 % RPMc arg a ~ total 9) Ajuste 0 dinamometro para maxima carga. 10) Ligue a fonte CC e aumente gradativamente a tensao ate que leia no amperimetro a corrente nominal da annadura. 0 motor pode girar lentamente ou nem girar. Anote a tensao lida no voltimetro e 0 valor da carga no dinam6rnetro. A corrente que atravessa a armadura e lirnitada, nesse momento, apenas pela resistcncia do circuito motor shunt. Podernos, entao, calcular a resistencia do circuito: MoforCC G.. ... ... ............ ~ 107. U=25V Torque = 0,35 N.m R=25V =830 3A ' 11) Com a resistencia do circuito calcute a possivei corrente de partida se aplicannos 120V ao motor nestas condiyoes: 1partida = 120/8,3 = 14,5 A 12) Calcule a potencia desenvolvida pelo motor shunt no ensaio em W e eVa urn torque de 1N.m. P(W) = RPM x N.m x 0,105 = 170 W => 0,23 CV 1CV = 736 W 13) Qual a potencia absorvida da rede para realizar 0 trabalho do item 12? P entrada = 120 V x 2,35 A = 282 W 14) Sabendo a potencia de entrada e a potencia de saida, calcule a eficiencia do motor. Efic% = Psaida x 100= 60% Pent 15) Compare a corrente de partida com a corrente nominal aplena carga no cnsaio e determine quantas vezcs cia emaior que a nominal. Seis vezes maior. 25 oto cornl!~o~ul!.!n~d_______.... Objetivo: Neste ensaio sao verificadas as caracteristicas do motor compound quanta a veiocidade, torque, respostas com carga e corrente de annadura. Como estudado em teoria, 0 motor compound diferencial pode atingir velocidades perigosas em certas circunstancias, portanto siga todos os procedimentos corretamente scm adaptayoes. 1) A conexao do motor compound emostrada na Figura 5.15. Primeira- mente repita os procedimentos de 1 a 4 do ensaio 5.9.3, motor serie, para certificar-se da direyao de rotayao que deve atender anecessidade do dinamometro. ~..... . .. .. ... . .. . .. . .......~~~~i~.~S.~:~~r.j~~'............................... 108. A ll}----------~__{A}_,____.+ E F 3 r---'-"'lir~ 4 Reostdto serie v V~ Shunl Figura 5.20 2) Retome a fonte a 0 e desliguea. Monte 0 circuito conforrne a Figura 5.20. Conecte 0 shunt em paralelo com 0 conjunto armadura e campo serie. 3) Acoplc 0 dinamometro ao motor, ajuste 0 dinamometro para carga minima, 0 N.m. 4) Certifique-se de que 0 reostato estcja com resisH~ncia 0 entre os tenninais conectados ao circuito, nae interferindo ncle, com campo shunt no maximo. 5) Ligue a fonte ce, ajuste a tcosao aplicada lentamente para 120 Vee. Verifique se a rotayao do motor esta muito alta (naD deve ultrapassar a nominal do motor). Se estiver muito alta, temos a ligayao compound diferencial. Desliga a fonte, inverta a ligayao do shunt, passando para cumulativo, e ligue a fonte novamente ajustandoa lentamente para 120 V. 6) Observe que as valores indicados no amperimetro e no voltfmetro nao devem exceder os valores nominais. Me9a a rota9ao no motor com urn tacometro, lentamente ajuste 0 reostato para que obtenha uma rota930 aproximada de 1.800 RPM indicada no tac6metro. 7) Registre os valores de corrente, tensao e velocidade para esta situa~ao de carga na Tabela 5.3. Repita esse registro para outros valores de carga indicados na tabela. Para isso ajuste a carga aplicada ao motor no dinamometroJ leia a corrente, a tensao e a velocidade e registre. U (volts) Torque (N.m) I (amperes) VeJocidade (RPM) 120 0 0,35 1800 120 0,35 0,95 1510 120 0,7 1,42 1400 120 1 1,79 1300 120 1,4 2,2 1210 Tabelo 5.3 ...... . . .. . ....... . ... . .......... . .~~t.o.r.~~....... ... .......... .. . . ..... . .. ~ 109. 8) Desligue a [onte CC e com os dados da tabela construa 0 gnHico que representa as caracterfsticas de torque e vclocidade do motor compound ensaiado. 1500 ~ 1000 500 o o 0,5 N.m Figura 5.21 1.5 9) Calcule a regularyao de velocidade do motor compound com a equary3.o seguinte. considerando carga de 1 N.m: %reg RPMsem carga - RPMcarga total x 100 = 38% RPMcarga _ total 10) Ajuste 0 dinam6metro para maxima carga. 11) Ligue a fonte CC e aumente gradativamentc a tensao ate que leia no amperfmetro a corrente nominal da arrnadura. Anote a tensao lida no voltfmetro e 0 valor da carga no dinam6metro. Calcule a resistencia oferecida pelo circuito: V ~ 46V Torque ~ 2,2N.m R ~ 46V / 3A ~1 5Q 12) Com a resistencia do circuito calcule a possivcl corrente de partida se aplicannos 120 V ao motor nestas condiryoes: [ partida ~ 120115 ~ 8 A 13) Calcule a potencia desenvolvida pelo motor compound no ensaio em We CV a urn torque de 1 N.m. peW) ~ RPM x N,mxO,105 ~ 136 W => 0,19 CV 14) Qual a potencia absorvida da rede para realizar 0 trabalho do item 12? P entrada~ 120V x 1,79A ~ 2 1 5W ~ . ....... . .. . .. . ....... . .. . . . . .~~~~i~.~.~~~t~i~~~. ..... . ... . . . ..... . .... . .. . .. . 110. 15) Sabendo a poti:ncia de entrada e a potencia de saida, calcule a eficiencia do motor. Psafda Efic% == x 100= 62% Pent 16) Compare a corrente de partida com a corrente nominal a carga de I N.m no ensaio e determine quantas vezes eia e maior que a nominal. Quatro vezes maior. 17) As quest6es seguintes abrangem os tres ensaios e levam 0 estudante a comparar os resultados obtidos. a) Preencha a tabela seguinte com os resultados obtidos nos ensaios: Motor Regula.;3.o Torque Eficiencia Ipartida Serie Shunt Compound b) Qual motor apresentou maior torque? c) Qual motor apresentou melhor regulayao de velocidade? d) Qual motor mostrou melhor eficiencia? 5.10. Exercicios de fixa't,.::a"'o'-____--' 1) Descreva 0 principio de funcionamento do motor CC. 2) Cite as partes principais de uma maquina Cc. 3) Qual a funyao das escovas em uma maquina CC? 4) Qual a funyao do comutador em uma maquina CC? 5) Como podemos identificar 0 numero de polos de uma maquina CC observando 0 estator? 6) Quais as diferenyas entre os enrolamentos serie e shunt de uma maquinaCC? , .. , .. , ... . , .. , ...... . .. ....... .~~t~.I'.~.~...... . .. . . . .... . . . .... . ....... ~ 111. a 7) Quais as principais caracteristicas do motor serie? 8) Quais as principais caracteristicas do motor shunt? 9) Quais as principais caracteristicas do motor compound? 10) Quais as diferenryas entre 0 compound diferencial e 0 cumulativo? 11) Qual a motivayao principal para utilizar uma maquina CC em urn sistema industrial? 12) Qual 0 torque desenvolvido por uma maquina CC de quatro polos, 600 condutores ativos, 1800 RPM, 31,4 A aplicados aarmadura (do tipo imbricado), com urn fluxo magnetico na maquina de 0.05 Wb? Sob as mesmas condiyoes, qual a tensao induzida na annadura a 1800 RPM? Maquinas Eletricas ......... .... .... .................................... .... ....... .............. 112. Gerador CC ___""6,,,.1"-.. Introdutyiio Tude que foi estudado em motor CC vale, de certa maneira, para 0 gerador ce, atinal os dois, mesmo tendo funyoes difercntcs, vern da rnesma maquina Cc. A maquina corrente continua pode produzir fary3 mecanica rotativa, motor, ou gerar energia eletrica CC a partir de uma [orya medniea rotativa, gerador. Este capitulo mostra as principais caracteristicas do gerador ee, tipos de liga.y~o, vantagens e desvantagens de cada uma, seguindo a mcsma filosofia adotada, ou seja, vamos desenvolver uma teoria minima e realizar ensaios comprobatorios. 6.2. Prine. io de funcionamento o processo de gerayao de energia esta ligado aos fen6menos eletromagneticos estudados no capitulo t, especificamente a lei do eletromagnctismo que trata da difercm;:a de potencial resultante nas extremidades de urn condutor pela sua a930 dentro de urn campo magnetico. Urn gerador ec, como 0 motor ce, possui tres componentes principais: enrolamento de estator, annadura e comutador. No gerador ce, 0 enrolamento do estator e alimentado com tensao CC para produzir urn campo magnetico fixo. Pelo fato de essa tensao dar origem ao campo magnetico do estator, recebe 0 nome de tensao de excita9ao. Esse campo magnetico corta as espiras do enrolamento da annadura (ou vice-versa) quando ele, por a~ao mecanica, girar dentro do campo. ............................?~~~~o.r.~.~.................................B 113. Campo magnetico mais espira em movimento resultam em indw;:ao eletro- magnetiea, que resuha em ddp que Clevada ao meio externo peto eonjunto de cscovas mais comutador. A Figura 6.1 represcnta urn gerador CC elementar. Ao aplicannos forrya mecanica amanivela, rotacionamos a bobina que, cortada pc1as linhas de campo, produz uma diferenrya de potencial em seus tenninais. Figura 6./ - Primeiro esuigio. A ddp gerada e aplicada a uma cargo resiSliva e medida com o volrimelro. Naftgura podemos observar que GbobinG enconlra-se perpelldicuiannenle em relat;iio 00 campo. Temos remiio gerada oV indicada no vo/lime/ro e 110 grafteo para esse esuigio. A tensao gerada no cstagio reprcsentado na figura e0 Y, mas conformc a bobina vai assumindo uma posiryao mais proxima ao paralelismo corn as linhas do campo, maior 0 nivel da tensao gerada. A Figura 6.2 representa a bobina, sob ar;:ao de urna forr;:a, iniciando urn giro no scntido anti-horaTio. Note que a tensao indicada no voltimetro ja nao esta mais em 0 e 0 grafico senoidal tambem saiu do O. Figura 6.2 - Segundo esrogio. a ..............................~~~~i~.~.~~~/.r!~~~............................... 114. No momento em que passa a existir urna ddp entre as escovas e existe uma carga Jigada a essas escovas, precisamos determinar 0 sentido da corrente que percorrc a carga antes de medi-la. Para isso utilizamos a regra da mao esquerda para gcradorcs, que eparecida com a regra para rnotores, 0 que muda ea mao. A Figura 6.3 exibe a mao esquerda prc- parada para a amilise. 0 indicador mostra 0 sentido da corrente, 0 polegar 0 sentido da forca aplicada e 0 restante dos dedos acom- panha 0 sentido do fluxo. Utilize a regra e continne 0 sentido da corrente representado na figura. 0 sentido da forrya aplicada esta indicado com pequenas setas pretas na bobina. Figllra 6.3 Como terceiro estagio podemos obscrvar 0 valor maximo de tensao aJcan- Qado quando a bobina esta totalmente imersa no campo. No grilfico a senoidc atingc 0 seu apice. Figllra 6,4 Terceiro esuigio. Esses estagios sao repetidos sucessivamcnte, sendo fomecida na safda uma tensilo continua pulsante. Continua porque a corrente, apesar de oscilar entre 0 e urn maximo, circula sempre em urn mesmo sentido. Essa larefa e responsa- bilidade do comutador, que neste caso funciona como urn retificador medinico. ..................................?~~~~~r.~.~.................................B 115. Existem dois modos para aumentarmos a tensilo gerada: I) Aumentar 0 campo magnetico fixo; 2) Aumentar a rota~ao mecanica aplicada a maquina, aumentando a frequencia dos pulsos e a tensao media. S

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