MÁQUINAS ELÉTRICAS

Universidade do Estado de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Elétrica
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
AULAS 01-02
UNIDADE 1
DINÂMICA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
(DME)
Prof. Ademir Nied
[email protected]
Unidade 1 - Aulas 01-02 - DME
Energia
primária
Usina
(conversão)
Transmissão e
Distribuição
Solar(PV)
Fossil
Nuclear
Solar
Térmica
Mecânica
Eletrônica de
Potência
Uso Final
(conversão)
Acionamentos Elétricos Industriais
Elétrica
Elétrica
Hidro
Eólica
Mecânica
60%
Elétrica
Térmica
Química
Vantagens da conversão elétrica:
• Geração com alta eficiência;
• Transporte com baixas perdas, distribuição simples e custo aceitável;
• Conversão: facilidade e flexibilidade
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Conceitos de Energia e Potência:
Força
ϕ
Trabalho:
W = F.. cos(ϕ)
Unidade: 1 J (Joule) = 1 N.m
Energia:
• “Capacidade de realizar trabalho”
• unidades: 1 J (Joule) = 1 W.s (Watt.segundo)
• Energia elétrica:
 unidades: 1 kWh (quiloWatt-hora) = 3,6.10 6 J (Joules)
• Energia mecânica:
 energia cinética
Ecin = 12 mv 2 = 12 I .w 2 ; I = Momento de Inércia;
 energia potencial E pot = mgh
• Energia térmica:
 unidades: 1 cal (caloria) = 4,186 J (Joules)
 1 BTU (unidade térmica inglesa) = 1,055.103 J (Joules)
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Potência:
• “taxa de variação do trabalho executado”;
P=
∂W ∂E
=
∂t
∂t
• unidades: 1 W (Watt) = 1 J/s (Joule/segundo);
• outras unidades: 1 hp (horse-power) = 745,7 W;
• Potência elétrica:
 Potência ativa (P): é a taxa de variação da energia elétrica (W ou kW ou
MW);
 Potência reativa (Q): está associada a energias armazenadas em campos
elétricos ou magnéticos. Não realiza trabalho!!!!!!! (VAr ou kVAr ou MVAr);
 Potência aparente (S): é o efeito combinado da circulação de potência ativa
e de potência reativa em um circuito elétrico (VA ou kVA ou MVA);
 Sistemas Monofásicos
Sistemas Trifásicos
S = P2 + Q2
S = P2 + Q2
S = V.I
S = 3.Vlinha .I linha = 3.Vfase .I fase
P = V.I. cos ϕ
Q = V.I. sen ϕ
P = 3.Vlinha .I linha cos ϕ = 3.Vfase .I fase cos ϕ
Q = 3.Vlinha .I linha sen ϕ = 3.Vfase .I fase sen ϕ
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Regulação:
• “Variação de uma grandeza em um sistema em função do
carregamento;
• Regulação de tensão:
 impacto da variação da corrente sobre a tensão em um determinado
sistema ou equipamento;
 influência da impedância do circuito;
• Regulação de velocidade:
 impacto da variação de conjugado (ou força) sobre a velocidade de
um determinado sistema ou equipamento;
 influência das perdas internas em um sistema ou equipamento.
Tensão
V
vazio
V
nom
w
− w nom
ℜ = vazio
w nom
ℜ=
Corrente
I nom
Vvazio − Vnom
Vnom
Velocidade
w
vazio
w
nom
Conjugado
T nom
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Sistema por unidade:
• Objetivo: normalização de todas as características dos componentes
de um sistema elétrico;
• Grandezas base:
Potência base: valor nominal da potência de saída (em VA) de um
equipamento ou sistema;
Tensão base: valor eficaz de linha (em V) do sistema elétrico no ponto
no qual um determinado equipamento está conectado;
Corrente base: Potência base/ ( √ 3 .Tensão base);
Impedância base: Tensão base/ ( √ 3 .Corrente base).
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Regulação:
• “Variação de uma grandeza em um sistema em função do
carregamento;
• Regulação de tensão:
 impacto da variação da corrente sobre a tensão em um determinado
sistema ou equipamento;
 influência da impedância do circuito;
• Regulação de velocidade:
 impacto da variação de conjugado (ou força) sobre a velocidade de
um determinado sistema ou equipamento;
 influência das perdas internas em um sistema ou equipamento.
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• Princípios do Estudo dos Dispositivos de Conversão
Eletromecânica da Energia:
Teoria de Campos
Teoria eletromagnética
Parâmetros distribuídos
Distribuição espacial de campos
Teoria de Circuitos
Equações de circuitos elétricos
Parâmetros concentrados
Circuitos acoplados
• Princípios da Produção de Força (Conjugado) em Máquinas
Elétricas:
Campos magnéticos
Campos elétricos
Wmag =
1
2
B2
µ0
= 39,8.10 4 J/m 3
Wele = 12 ε 0 .E 2 = 39,8 J/m 3
Interação entre campos
Interação entre campo e material
Efeito magnetostricção
Efeito piezoelétrico
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• Histórico:
1820: descoberta do efeito magnético da corrente elétrica (Oersted)
1831: descoberta da indução magnética por Faraday
1864: Maxwell estabelece as bases da teoria eletromagnética
1890: as principais formas de máquinas elétricas são inventadas e
o período até 1950 se caracteriza por intensa pesquisa industrial
• Estruturas atuais de máquinas elétricas:
- máquinas síncronas: geração de energia elétrica
- máquinas síncronas de ímãs permanentes: servomotores
- máquinas assíncronas ou de indução: emprego amplo como motores
- máquinas c.c.: uso como motor em acionamentos de alto desempenho
- motores monofásicos a comutador: eletrodomésticos
- motores de passo: como servoacionadores
- outras estruturas especiais: lineares, relutância chaveada, etc.
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Tanto geradores como motores usam a interação entre condutores em
movimento e campos magnéticos (ou vice-versa)
GERADORES ⇒ convertem energia mecânica em energia elétrica
produzindo correntes em condutores que giram através de um campo
magnético
MOTORES ⇒ convertem energia elétrica em energia mecânica
quando condutores que conduzem corrente são obrigados a girar por
um campo magnético
Assim, desde que haja movimento relativo entre condutor e
campo magnético há produção de eletricidade
A tensão obtida é conhecida como tensão induzida ou f.e.m.
induzida e o processo para obtê-la é chamado indução
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e = −N
dφ
(V )
dt
φ = µHS
µ = permeabilidade magnética do meio
H = intensidade de campo
S = secção da bobina
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φ = µHS cosα ⇒ φ = Φ cosα ⇒ φ = Φ cos wt
π
e = NΦw sen wt = Emáx sen wt = Emáx cos( wt − )
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E = 4,44 NfΦ
(valor eficaz)
Portanto, o valor da tensão induzida depende dos seguintes fatores:
Velocidade do condutor no campo magnético
Intensidade do campo magnético
Número de espiras
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