Fundamentals of Electric Machines and Transformators Concepts

1. Máquinas ElétricasConceitos Fundamentais e Transformadores Alessandro Arjona Alves

2. Engenheiro Eletricista Alessandro Arjona Alves • Formação Acadêmica • Graduação em Engenharia Elétrica - UNIOESTE • Mestrado em Engenharia Elétrica - UNIOESTE • Doutorado em Engenharia Elétrica - USP • Histórico Profissional • Redes de Distribuição de Energia Elétrica • Pesquisa e Desenvolvimento - P&D • Docência no Ensino Superior alessandroaalves@hotmail.com (45) 99916-7045

3. Bibliografia • Irving L. Kosow - Máquinas Elétricas e Transformadores • Vincent del Toro - Fundamentos de Máquinas Elétricas • Fitzgerald e Kingsley - Máquinas Elétricas • Stephen J. Chapman - Fundamentos de Máquinas Elétricas

4. Metodologia de avaliação Prova 1 - Prova 2 - Nota final - (P1 + P2)/2; Exame; • Lista de exercícios; • Aula de exercícios; • Seminários; • Trabalhos práticos;

6. Orientações gerais • Faltas; • Conversas paralelas; • Celular; • Permanência na sala de aula;

7. Ementa da Disciplina Transformadores trifásicos: • Harmônica em transformadores; Ligações delta-estrela, estrela-delta, delta-delta, estrela-estrela, Delta aberto, Transformador ZigZag, determinação do defasamento angular. Motor de indução trifásico • Formação do campo girante; noções de bobinagem, determinação do número de pólos, torque nominal, torque máximo, torque de partida, circuito equivalente, fluxo de potência no motor, ensaios de rotor bloqueado e a vazio para determinação dos parâmetros. Laboratório.

8. Máquinas Elétricas X Princípio da Conservação de Energia Energia Elétrica Energia Mecânica Conceitos preliminares

9. Conceitos preliminares Máquinas Elétricas X Conversão de Energia

10. Conceitos preliminares

11. Conceitos preliminares Qualquer máquina rotativa pode ser usada como gerador ou com o motor.

12. Conceitos preliminares O transformador é uma máquina estacionária que converte níveis de tensão CA

13. Conceitos preliminares • O transformador é um dispositivo elétrico que apresenta uma relação próxima com as máquinas elétricas (Conversor CA - CA). • Em geral, os transformadores são estudados juntamente com os geradores e motores, pois funcionam com base nos mesmos princípios: campos magnéticos.

14. Campo Magnético • Os campos magnéticos constituem o mecanismo fundamental pelo qual a energia é convertida de uma forma em outra nos motores, geradores e transformadores.

15. Campo Magnético • Quatro princípios básicos descrevem como os campos magnéticos são usados nesses dispositivos: • Um fio condutor de corrente produz um campo magnético em sua vizinhança; • Um campo magnético variável no tempo induzirá uma tensão em uma bobina se esse campo passar através dessa bobina. (Esse é o fundamento da ação de transformador). • Um fio condutor de corrente, na presença de um campo magnético, tem uma força induzida nele. (Esse é o fundamento da ação de motor). • Um fio movendo-se na presença de um campo magnético tem uma tensão induzida nele. (Esse é o fundamento da ação de gerador).

16. Campo Magnético 1 - Um fio condutor de corrente produz um campo magnético em sua vizinhança Direção e sentido das linhas de campo “Regra da mão direita” Linhas de campo se distribuem ao longo de todo o condutor

17. Campo Magnético

18. Linhas de campo circulares e concêntricas, contidas em um plano perpendicular ao fio. Vetor campo magnético: tangente às linhas de indução e no mesmo sentido que elas. Campo Magnético 1 - Um fio condutor de corrente produz um campo magnético em sua vizinhança

19. Campo Magnético 1 - Um fio condutor de corrente produz um campo magnético em sua vizinhança

20. Campo Magnético 1 - Um fio condutor de corrente produz um campo magnético em sua vizinhança

21. Campo Magnético importante 2 - Um campo magnético variável no tempo induzirá uma tensão em uma bobina se esse campo passar através dessa bobina. (Esse é o fundamento da ação de transformador.)

22. Campo Magnético 2 - Um campo magnético variável no tempo induzirá uma tensão em uma bobina se esse campo passar através dessa bobina. (Esse é o fundamento da ação de transformador.) LEI DE FARADAY - A variação temporal do fluxo magnético no interior de uma espira condutora induz, nela, uma força eletromotriz (tensão) e, consequentemente surge uma corrente induzida. LEI DE LENZ - O sentido da corrente elétrica induzida é tal que se opõe à variação do fluxo magnético que a origina.

23. Campo Magnético 3 - Um fio condutor de corrente, na presença de um campo magnético, tem uma força induzida nele. (Esse é o fundamento da ação de motor.)

24. Campo Magnético 4 - Um fio movendo-se na presença de um campo magnético tem uma tensão induzida nele. (Esse é o fundamento da ação de gerador)

25. Produção de um campo magnético Objetivo • Entender a relação entre a corrente e o campo magnético. • Diferenciar campo magnético de indução ou fluxo magnético.

26. Produção de um campo magnético A lei fundamental que rege a produção de um campo magnético por uma corrente é a lei de Ampère: I - Corrente líquida [A]. H - Intensidade do campo magnético que é produzido pela corrente I [A.espira/metro]

27. Produção de um campo magnético A lei fundamental que rege a produção de um campo magnético por uma corrente é a lei de Ampère: Núcleo ferromagnético concentra todas as linhas de campo de modo que o caminho de integração é ln.

28. Produção de um campo magnético Portanto, o valor da intensidade de campo magnético no núcleo, devido à corrente aplicada, é: A intensidade de campo magnético H é uma medida do “esforço” que uma corrente está fazendo para estabelecer um campo magnético. “Força Magnetomotriz = Ni”

29. Produção de um campo magnético • A densidade de fluxo magnético produzido no núcleo depende do material do núcleo. H - intensidade de campo magnético [Ae/m]; μ - permeabilidade magnética do material [H/m]; B - densidade de fluxo magnético produzido [T] ou [Wb/m2];

30. Produção de um campo magnético

31. Produção de um campo magnético • Materiais diamagnéticos: Aqueles que têm a permeabilidade menor que a do vácuo. • Materiais paramagnéticos têm a permeabilidade um pouco maior que a do vácuo • Materiais ferromagnéticos: ferro, níquel, aço, cobalto e ligas desses materiais têm permeabilidade de centenas e até milhares de vezes maiores que o vácuo.

32. Produção de um campo magnético

33. Produção de um campo magnético • O fluxo total em uma dada área é H - intensidade de campo magnético ou campo magnético [Ae/m]; B - densidade de fluxo magnético ou indução magnética [T] ou [Wb/m2]; ϕ - fluxo magnético [Weber];

34. Circuitos magnéticos Objetivo: • Entender a dependência da geometria, do material e do número de espiras; • Primeiros passos na utilização da teoria eletromagnética.

35. Circuitos magnéticos Exemplos: • disjuntores; • motores elétricos de uso industrial, e doméstico; • solenóides; • eletroímãs; • motores e sensores de uso em automação; • disco rígido;

36. Circuitos magnéticos Analogia com circuitos elétricos

37. Circuitos magnéticos

38. - relutância magnética [A.e/Wb] Circuitos magnéticos μ - permeabilidade magnética [H/m]; ν - relutividade [m/H] P - permeância magnética [Wb/A.e]

39. Circuitos magnéticos A alta permeabilidade magnética do núcleo de aço silício concentra o fluxo magnético no seu interior formando um circuito magnético

40. Circuitos magnéticos As relutâncias em um circuito magnético obedecem às mesmas regras que as resistências em um circuito elétrico. • Associação série: • Associação paralela:

41. Circuitos magnéticos

42. Circuitos magnéticos Exemplo 1: • N = 200 espiras • μr = 2500 Qual o fluxo para uma corrente de 1A?

43. Circuitos magnéticos

44. Circuitos magnéticos

45. Circuitos magnéticos

46. Circuitos magnéticos Exemplo 2: Determine a fmm necessária para produzir um fluxo de 0,0014 Wb na perna direita. A espessura do circuito magnético é de 0,04m. Considere μr = 3000,

47. Circuitos magnéticos - Entreferro

48. Circuitos magnéticos - Entreferro A área efetiva por onde passa o fluxo é maior que a área geométrica do entreferro μr_ar = 1,000 000 370

49. Circuitos magnéticos - Entreferro Quando o entreferro é muito menor que a área da seção transversal é possível considerar que a área para o entreferro é igual à área da seção transversal para o material magnético.

50. Circuitos magnéticos - Entreferro