MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTO
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page ii — #2
✐
✐
✐
✐ ✐
✐
Edson Bim
MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTO 3a Edição
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page iv — #4
✐ c
✐
2014, Elsevier Editora Ltda.
Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/98. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros. Copidesque :
Ivone Teixeira
Revisão Gráfica :
Marco Antonio Correa
Editoração Eletrônica :
Edson Bim
Ilustrações Gráficas : Juracy Gomes Ferreira Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua Sete de Setembro, 111 - 16 andar 20050-006 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil o
Rua Quintana, 753 - 8 andar 04569-011 - Brooklin - São Paulo - SP o
Serviço de Atendimento ao Cliente 0800-0265340
[email protected] ISBN : 978-85-352-7713-5 ISBN versão digital : 978-85-352-7714-2 : Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens originados do uso desta publicação. Nota
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ B497m 3. ed. Bim, Edson Máquinas elétricas e acionamento/Edson Bim. - 3.ed. - Rio de Janeiro: Elsevier, 2014. 592 p.: il.; 24cm Inclui bibliografia ISBN 978-85-352-7713-5 1.Máquinas elétricas. 2. Engenharia elétrica. 3. UNICAMP. Faculdade de Engenharia elétrica e computação. I. Título. 13-07787. 06/12.2013
CDD: 621.31042 CDU: 621.316.1 10/12/2013
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page v — #5
✐
✐
À minha esposa Thadeusa e aos meus filhos Thaís, Clarissa e Eduardo.
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page vi — #6
✐
✐
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page vii — #7
✐
✐
Prefácio
Esta terceira edição incorpora a necessária e inerente correção da segunda edição, o que significa mudanças na forma e no conteúdo de alguns capítulos. São acrescentados ainda dois capítulos com a característica de introdução: um que trata das máquinas de ímãs permanentes e outro, sobre as máquinas multifásicas. A característica de se apresentar uma introdução à compreensão, à modelagem, à análise e ao controle de dispositivos transformadores de energia elétrica e conversores eletromecânicos de energia permanece. Assim, transformadores e principalmente máquinas de corrente contínua e de corrente alternada são o foco deste texto. O texto é organizado para ser adotado como uma introdução às Máquinas Elétricas e Acionamento em cursos de graduação, principalmente de Engenharia Elétrica e Mecatrônica. No Capítulo 1 são apresentados os fundamentos de circuitos magnéticos, as propriedades magnéticas de alguns materiais ferromagnéticos e ímãs permanentes. O Capítulo 2 trata dos transformadores monofásicos e trifásicos. Os princípios da conversão eletromecânica de energia são abordados no Capítulo 3. A distribuição de força magnetomotriz gerada por enrolamentos de corrente alternada e de corrente contínua, a configuração básica e o princípio de funcionamento das máquinas elétricas são dados no Capítulo 4, incluindo as máquinas com ímãs permanentes. O impacto do controle vetorial nas aplicações de alto desempenho dinâmico e de regime permanente alterou profundamente o enfoque dado à modelagem das máquinas de corrente alternada, tornando obrigatório o ensino dos denominados vetores espaciais. Por essa razão, uma introdução dessa abordagem vetorial aplicada às máquinas de indução é apresentada no Capítulo 5; ainda neste capítulo são derivadas as expressões das indutâncias das máquinas de indução e síncronas, pois são utilizadas na obtenção daquelas dos fluxos concatenados, tensões e torque, objeto de estudo do Capítulo 6. A partir do conceito de vetores espaciais de variáveis elétricas apresentado nos capítulos 5 e 6, são obtidos o model matemático de regime permanente das máquinas de
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page viii — #8
✐
viii ·
Máquinas Elétricas e Acionamento
✐
ELSEVIER
indução (Capítulo 7) e das máquinas síncronas (Capítulo 9). O capítulo 8, por sua vez, trata do regime permanente das máquinas de corrente contínua. O Capítulo 10 foi escrito com o objetivo de apresentar uma introdução às máquinas de ímãs permanentes. O estudo da dinâmica das máquinas de corrente contínua de excitação separada é mostrado no Capítulo 11. Os modelos matemáticos descritos em variáveis de estado de máquina de indução são dados no Capítulo 12. Matéria indispensável ao estudo do controle de máquinas de indução é o controle vetorial, introduzido no Capítulo 13, que serve de base para as máquinas de indução duplamente alimentadas sob controle por orientação de campo, abordadas no Capítulo 14. Uma Introdução às Máquinas Multifásicas é o objeto do Capítulo 15, e o Capítulo 16 se constitui em uma revisão simplificada dos elementos típicos de transmissão e conversão de movimento utilizados nos acionamentos elétricos. O autor sugere que a matéria exposta neste livro seja ministrado em três disciplinas: os Capítulos 1, 2, 3, 4 e 5 compondo o conteúdo da primeira, os Capítulos 6, 7, 8, 9 e 10, o da segunda, os Capítulos 11, 12, 13, 14 e 15, o da terceira. A depender da estrutura do curso, os Capítulos 12 e 16 podem se constituir em capítulos suplementares. Espera-se, assim, que os vários tópicos abordados sobre a conversão eletromecânica e acionamentos elétricos, alguns de forma mais completa, outros de forma introdutória, deem uma base sólida aos engenheiros da área de máquinas elétricas e estimulem os interessados a entender a máquina elétrica como um dispositivo de conversão eletromecânica e não só um elemento de controle. Agradeço a todos os alunos que, ao lerem o livro, fizeram observações e correções técnicas essenciais, em particular ao Paulo Dainez que foi colaborador ativo na escrita do capítulo que trata das máquinas multifásicas. À equipe da editora Elsevier sou grato, particularmente a André Gerhard Wolff, à Alice Barducci e à Luciana A.R. Cruz, pela ajuda inestimável dada ao projeto deste livro. Sou muito grato à minha querida esposa pelas correções, sugestões e leitura crítica desta edição.
Edson Bim Campinas, São Paulo Dezembro, 2013
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page ix — #9
✐
✐
Sumário
Prefácio
vii
1 Circuitos Magnéticos 1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Densidade de fluxo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Intensidade de campo magnético e lei circuital de Ampère . . . 1.2.2 Força magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Geração de tensão elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Produção de campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Tipos de materiais magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Histerese e curva de magnetização normal . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Circuito magnético, suas variáveis e parâmetros . . . . . . . . . . . . . 1.5 Energia armazenada no campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Excitação alternada de bobinas envolvendo núcleos ferromagnéticos . . 1.6.1 Potência aparente de excitação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2 Perdas de potência no núcleo ferromagnético . . . . . . . . . . 1.6.3 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Fluxo magnético concatenado e indutância . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Polaridade de enrolamentos magneticamente acoplados . . . . . 1.8 Ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.1 Característica de desmagnetização dos ímãs . . . . . . . . . . . 1.8.2 Ponto de operação do ímã sem fmm externa . . . . . . . . . . . 1.8.3 Ponto de operação do ímã com fmm externa . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 1 3 4 6 9 10 13 14 18 27 30 32 32 36 38 46 47 50 54 60 61
. . . . . . .. .. .. .. . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page x — #10
✐
x ·
Máquinas Elétricas e Acionamento
✐
ELSEVIER
2 Transformadores 65 2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.2 Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.3 Teoria, relações básicas e circuito equivalente do transformador . . . . . . 69 2.3.1 Secundário aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.3.2 Secundário fechado por uma carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.3.3 Determinação experimental dos parâmetros do circuito equivalente 74 2.3.4 Regulação de tensão do transformador . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3.5 Valores nominais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.4 Autotransformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.5 O sistema por unidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.6 Transformações trifásicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.6.1 Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.6.2 Conexão estrela-estrela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.6.3 Conexão delta-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.6.4 Conexão delta-estrela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 2.6.5 Conexão estrela-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.6.6 Conexões especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.7 Operação de transformadores em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.8 Transformadores reguladores de tensão e de ângulo de fase . . . . . . . . . 110 2.9 Transformadores de múltiplos enrolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3 Princípios de Conversão Eletromecânica de Energia 3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Sistemas magnéticos com excitação única . . . . . . . . . . . 3.2.1 Energia armazenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Coenergia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Determinação da energia armazenada e da coenergia . 3.2.5 Determinação da energia eletromecânica . . . . . . . . 3.2.6 Modelo matemático da dinâmica de funcionamento . . 3.2.7 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Sistemas magnéticos com dupla alimentação . . . . . . . . . . 3.4 Sistemas com ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Sem fmm externa e com um ímã . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Com fmm externa e ímã . . . . . . . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123 . 123 . 124 . 124 . 125 . 130 . 131 . 135 . 141 . 145 . 149 . 154 . 155 . 157 . 158
4 Configuração Básica e Princípio das Máquinas Elétricas Rotativas 4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Força magnetomotriz gerada por excitação monofásica . . . . . . . . . . 4.2.1 Deslocamento da onda de força magnetomotriz . . . . . . . . . . 4.3 Força magnetomotriz de enrolamentos polifásicos e multipolares . . . . . 4.3.1 Máquinas de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Máquinas síncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
163 . 163 . 167 . 170 . 173 . 173 . 189
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xi — #11
✐
✐
Sumário · xi 4.4 Relação básica entre as velocidades das fmms para a produção de torque . 191 4.5 Fmm, torque e comutação em máquinas de corrente contínua . . . . . . . 196 4.5.1 Torque e comutação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 4.6 Máquinas com ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 4.7 Generalidades sobre seleção de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5 Vetor Espacial e Indutâncias 209 5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.2 Vetores espaciais de forças magnetomotrizes e de correntes . . . . . . . . . 210 5.2.1 Estator trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.2.2 Rotor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 5.3 Indutâncias de máquinas de indução trifásicas . . . . . . . . . . . . . . . . 219 5.4 Indutâncias de magnetização do entreferro de máquinas síncronas trifásicas 224 5.4.1 Polos salientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 5.4.2 Polos lisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 6 Fluxos, Tensões e Torque em Máquinas de Indução 231 6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.2 Máquinas de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.2.1 Vetores dos fluxos magnéticos e das tensões elétricas . . . . . . . . 232 6.2.2 O modelo no sistema de referência com velocidade arbitrária . . . 239 6.2.3 Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.2.4 Torque eletromecânico desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 6.2.5 O modelo no sistema de referência síncrono . . . . . . . . . . . . . 246 6.3 Máquinas síncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 7 Regime Permanente de Máquinas de Indução 257 7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 7.2 Circuito equivalente e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 7.2.1 Componentes ativa e reativa da corrente de rotor . . . . . . . . . . 262 7.3 Potência e torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 7.3.1 Modos de funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 7.3.2 Torque desenvolvido pelo motor alimentado por fonte de tensão . . 277 7.3.3 Torque desenvolvido pelo motor alimentado por fonte de corrente . 282 7.4 Classificação dos motores de indução trifásicos de rotor gaiola . . . . . . . 283 7.5 Ensaios a vazio e de rotor bloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.5.1 Ensaio a vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.5.2 Ensaio de rotor bloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.5.3 Cálculo dos parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 7.5.4 Representação em p.u. e relações aproximadas de funcionamento . 290 7.6 Controle escalar de velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 7.6.1 Fluxo de entreferro constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 7.6.2 Variação da tensão de terminal do estator . . . . . . . . . . . . . . 295
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xii — #12
✐
xii ·
Máquinas Elétricas e Acionamento
7.6.3 Variação da corrente de terminal do estator . 7.6.4 Variação do número de polos . . . . . . . . . 7.6.5 Variação da frequência de alimentação . . . . 7.6.6 Variação da resistência de rotor . . . . . . . . 7.7 Frenagem elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1 Frenagem por inversão da sequência de fase . 7.7.2 Frenagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . 7.7.3 Frenagem por corrente contínua . . . . . . . . 7.8 Gerador de indução de rotor gaiola . . . . . . . . . . 7.8.1 Gerador ligado à rede . . . . . . . . . . . . . 7.8.2 Gerador autoexcitado . . . . . . . . . . . . . 7.9 Motor monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9.1 Teoria dos dois campos girantes . . . . . . . . 7.9.2 Métodos de partida . . . . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
✐
ELSEVIER
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
Regime Permanente de Máquinas de Corrente Contínua 8.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Reação de armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Equações básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Classificação e funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Princípio do controle de velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Controle por tensão de armadura . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Controle por variação do fluxo magnético indutor . . . . . . 8.5 Frenagen elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1 Frenagem dinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2 Frenagem por inversão da tensão terminal de armadura . . 8.5.3 Frenagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Ponto de funcionamento e estabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. 295 . 296 . 297 . 298 . 299 . 299 . 299 . 300 . 300 . 301 . 303 . 306 . 306 . 309 . 311
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
317 . 317 . 317 . 319 . 327 . 327 . 340 . 347 . 347 . 351 . 353 . 353 . 355 . 356 . 356 . 358
9 Regime Permanente de Máquinas Síncronas 363 9.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 9.2 Modos de operação da máquina síncrona ideal . . . . . . . . . . . . . . . . 364 9.2.1 Modo compensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 9.2.2 Modo motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 9.2.3 Modo gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 9.3 Rotor de polos salientes: equações e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . 374 9.3.1 Diagramas fasoriais na convenção de receptor . . . . . . . . . . . . 381 9.3.2 Potência e torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 9.3.3 Diagramas fasoriais do gerador na convenção de gerador . . . . . . 387 9.4 Curva potência-ângulo, ponto de operação e potência de sincronização . . 391 9.5 Rotor de polos lisos: equações e diagramas fasoriais . . . . . . . . . . . . . 394 9.6 Controle do fator de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xiii — #13
✐
✐
Sumário · xiii 9.6.1 Gerador isolado . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.2 Gerador conectado à barra infinita . . . . 9.6.3 Motor alimentado por uma barra infinita 9.7 Diagrama circular . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8 Equação eletromecânica . . . . . . . . . . . . . . 9.8.1 Pequenas perturbações . . . . . . . . . . . 9.9 Determinação dos parâmetros . . . . . . . . . . . 9.9.1 Ensaio de circuito aberto . . . . . . . . . 9.9.2 Ensaio de curto-circuito . . . . . . . . . . 9.9.3 Ensaio do escorregamento . . . . . . . . . 9.9.4 Ensaio da máxima corrente indutiva . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. 396 . 398 . 400 . 401 . 403 . 406 . 408 . 408 . 409 . 410 . 411 . 411
10 Máquinas de Ímãs Permanentes 10.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Máquinas de corrente contínua de ímãs permanentes e com comutador . 10.2.1 Máquina de fluxo radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Máquina de fluxo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Máquinas síncronas de corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1 Tipos de rotores de fluxo radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Classificação segundo a forma de onda da fem . . . . . . . . . . . 10.4.3 Senoidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
417 . 417 . 418 . 418 . 419 . 420 . 421 . 423 . 428 . 430
11 Dinâmica da Máquina de Corrente Contínua 433 11.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 11.2 Motor de excitação separada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 11.2.1 Degrau de tensão de armadura com torque de carga constante . . 438 11.2.2 Degrau de torque de carga com tensão de armadura constante . . 439 11.2.3 Partida do motor com carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 11.2.4 Modelo para pequenas variações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 11.2.5 Transitórios devido à variação da tensão de excitação . . . . . . . 444 11.2.6 Transitórios na frenagem elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 11.3 Equações dinâmicas do motor com excitação série . . . . . . . . . . . . . . 448 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 12 Máquinas de Indução Descritas por Variáveis de Estado 12.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Fluxos magnéticos concatenados . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Correntes elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Corrente de estator e fluxo magnético concatenado de rotor . . 12.1.4 Corrente e fluxo magnético concatenado de estator . . . . . . . 12.1.5 Corrente e fluxo magnético concatenado de rotor . . . . . . . . 12.2 O modelo no sistema de referência síncrono . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Equações em p.u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
453 . . 453 . . 453 . . 455 . . 456 . . 458 . . 459 . . 460 . . 463 . . 466
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xiv — #14
✐
xiv ·
Máquinas Elétricas e Acionamento
✐
ELSEVIER
13 Uma Introdução ao Controle Vetorial de Máquinas de Indução 13.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.1 Acionamentos elétricos de alto e baixo desempenho . . . . . 13.2 Orientação de fluxo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Orientação do fluxo magnético de rotor . . . . . . . . . . . 13.2.2 Orientação do fluxo magnético de estator . . . . . . . . . . 13.2.3 Orientação do fluxo magnético de entreferro . . . . . . . . . 13.3 Controle direto do torque e do fluxo magnético . . . . . . . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Máquina de Indução Duplamente Alimentada 14.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Modelo matemático no sistema de referência síncrono 14.3 Regime permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Equação de equilíbrio das potências ativas . . . 14.3.2 Regiões de funcionamento . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Equação de equilíbrio das potências reativas . . 14.4 Orientação de fluxo magnético . . . . . . . . . . . . . 14.4.1 Orientação do fluxo magnético de rotor . . . . 14.4.2 Orientação do fluxo magnético de entreferro . . 14.4.3 Orientação do fluxo magnético de estator . . . 14.5 Controle direto de potência . . . . . . . . . . . . . . . 14.5.1 Tensões de rotor em função de P e Q . . . . . Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s
s
15 Uma Introdução às Máquinas Multifásicas 15.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Disposição do enrolamento de estator . . . . . . . . . . 15.3 A máquina hexafásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.1 Modelo no referencial estacionário . . . . . . . 15.3.2 Equações de tensão no referencial estacionário 15.4 Modelo no referencial síncrono . . . . . . . . . . . . . 15.4.1 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . 16 Transmissão e Conversão de Movimento 16.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Transmissão e conversão de movimento . . . . . . . 16.2.1 Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Volante de inércia . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Elementos básicos de transmissão e conversão . . . 16.3.1 Engrenagens . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.2 Polias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.3 Correias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.4 Transmissão continuamente variável (TCV) 16.3.5 Parafusos de potência . . . . . . . . . . . . 16.4 Reflexão das grandezas da carga ao eixo do motor
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
467 . 467 . 468 . 469 . 469 . 477 . 484 . 486 . 493
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
495 . 495 . 496 . 498 . 500 . 501 . 503 . 507 . 507 . 509 . 510 . 511 . 512 . 514
. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
517 . 517 . 518 . 520 . 522 . 525 . 526 . 527
. . . . . . . . . . .
529 . 529 . 529 . 529 . 530 . 534 . 534 . 535 . 538 . 544 . 545 . 549
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xv — #15
✐
✐
Sumário · xv 16.4.1 Diagramas de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 16.5 Cargas típicas de motores elétricos e suas características torque-velocidade 551 16.5.1 Máquinas de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 16.5.2 Máquinas de elevação e transporte de carga . . . . . . . . . . . . . 558 16.5.3 Máquinas-ferramenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 Bibliografia
563
Índice Remissivo
567
✐
✐ ✐
✐
✐
✐
“LivroElsevier” — 2014/1/7 — 8:21 — page xvi — #16
✐
xvi ·
Máquinas Elétricas e Acionamento
✐
ELSEVIER
✐
✐ ✐
✐
