Fundamentos de maquinas eletricas

698 Pages·035.67 MB·Portuguese

by  Stephen J. Chapman

C466f Chapman, Stephen J.
Fundamentos de máquinas elétricas [recurso eletrônico] /
Stephen J. Chapman ; tradução: Anatólio Laschuk. – 5. ed. –
Dados eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2013.
Editado também como livro impresso em 2013.
ISBN 978-85-8055-207-2
1. Engenharia elétrica. 2. Máquinas elétricas. I. Título.
CDU 621.313
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB10/2052
BAE Systems Australia
Tradução:
Anatólio Laschuk
Mestre em Ciência da Computação pela UFRGS
Professor aposentado pelo Departamento de Engenharia Elétrica da UFRGS
Versão impressa
desta obra: 2013
2013
Obra originalmente publicada sob o título
Electric Machinery Fundamentals, 5th Edition
ISBN 0073529540/9780073529547
Original edition copyright ©2012, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York 10020. All rights
reserved.
Portuguese language translation copyright ©2013, AMGH Editora Ltda., a Grupo A Educação S.A.
company.
Gerente editorial: Arysinha Jacques Affonso
Colaboraram nesta edição:
Editora: Verônica de Abreu Amaral
Capa: Maurício Pamplona (arte sobre capa original)
Preparação de originais: Gabriela Barboza
Editoração: Techbooks
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
AMGH EDITORA LTDA., uma parceria entre GRUPO A EDUCAÇÃO S.A. e
McGRAW-HILL EDUCATION
Av. Jerônimo de Ornelas, 670 – Santana
90040-340 – Porto Alegre – RS
Fone: (51) 3027-7000 Fax: [phone]
É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer
formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web
e outros), sem permissão expressa da Editora.
Unidade São Paulo
Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 – Pavilhão 5 – Cond. Espace Center
Vila Anastácio – 05095-035 – São Paulo – SP
Fone: (11) 3665-1100 Fax: [phone]
SAC 0800 703-3444 – www.grupoa.com.br
IMPRESSO NO BRASIL
PRINTED IN BRAZIL
O autor
Stephen J. Chapman obteve o título de Bachelor of Science em engenharia elétrica
na Louisiana State University (1975) e o de Master of Science in Engineering em
engenharia elétrica na University of Central Florida (1979), tendo prosseguido com
seus estudos de pós-graduação na Rice University.
De 1982 a 1988, ele serviu como oficial da Marinha Americana, tendo sido
designado para lecionar engenharia elétrica na U.S. Naval Nuclear Power School em
Orlando, na Flórida. De 1980 a 1982, esteve vinculado à University of Houston, onde
conduziu o programa de sistemas de potência no College of Technology.
De 1982 a 1988 e de 1991 a 1995, foi membro do corpo técnico do Lincoln
Laboratory no Massachusetts Institute of Technology, tanto na unidade principal em
Lexington, Massachusetts, como na unidade de campo no atol de Kwajalein, na Re-
pública das Ilhas Marshall. Enquanto lá esteve, realizou pesquisas com sistemas de
processamento de sinais de radar. No final de sua permanência na unidade de campo
de Kwajalein, ele passou a liderar os quatro grandes radares de instrumentação e tele-
metria (TRADEX, ALTAIR, ALCOR e MMW).
De 1998 a 1991, o autor foi engenheiro de pesquisas na Shell Development
Company em Houston, no Texas, onde realizou pesquisas na área de processamento
de sinais sísmicos. Ele também esteve vinculado à University of Houston, onde con-
tinuou a lecionar em tempo parcial.
Atualmente, Chapman é gerente de modelagem de sistemas e de análise opera-
cional na BAE Systems, em Melbourne.
O autor é membro sênior do Institute of Electrical and Electronic Engineers (e
de diversas sociedades que o compõem). Ele também é membro da instituição Engi-
neers Australia, na Austrália.
Para minha filha Sarah Rivkah Chapman,
que certamente usará este livro nos seus
estudos na Swinburne University,
em Melbourne.
Prefácio
Nos anos que decorreram desde que a primeira edição de Fundamentos de Má-
quinas Elétricas foi publicada, houve rápidos progressos no desenvolvimento
de pacotes maiores e mais sofisticados de acionamento de motores em estado sóli-
do. A primeira edição deste livro afirmava que o motor CC era o preferido para apli-
cações que exigissem velocidade variável. Isso não é mais verdadeiro atualmente.
Agora, o sistema mais frequentemente escolhido para aplicações de controle de
velocidade é o motor de indução CA combinado com um acionamento em estado
sólido. Os motores CC foram largamente relegados a aplicações especiais nas quais
se dispõe facilmente de uma fonte CC de alimentação, como nos sistemas elétricos
automotivos.
Para refletir essas mudanças, a terceira edição deste livro foi amplamente rees-
truturada, de modo que o material sobre motores e geradores CA passou a ser coberto
nos Capítulos 3 a 6, antecedendo o material sobre máquinas CC. Além disso, em
comparação com as edições anteriores, o material sobre máquinas CC foi reduzido.
Nesta edição, essa mesma estrutura básica permanece sendo adotada.
Como reforço para o aprendizado do estudante, foram incluídos no início de
cada capítulo os objetivos de aprendizagem.
O Capítulo 1 fornece uma introdução aos conceitos básicos de máquinas elétri-
cas e conclui aplicando esses conceitos a uma máquina CC linear, que é o exemplo
mais simples possível de uma máquina. O Capítulo 2 cobre os transformadores, que
não são máquinas rotativas, mas compartilham técnicas semelhantes de análise.
Após o Capítulo 2, o professor poderá escolher entre máquinas CC ou CA para
ensinar primeiro. Os Capítulos 3 a 6 cobrem as máquinas CA, e os Capítulos 7 e
8 cobrem as máquinas CC. Essas sequências de capítulos são completamente inde-
pendentes entre si, de modo que um professor pode cobrir o material na ordem que
melhor se adequar a suas necessidades. Por exemplo, uma disciplina de um semestre
concentrada basicamente em máquinas CA poderia consistir em partes dos Capítulos
1, 2, 3, 4, 5 e 6, com o tempo restante dedicado às máquinas CC. Uma disciplina de
um semestre dedicada basicamente às máquinas CC poderia consistir em partes dos
capítulos 1, 2, 7 e 8, com o tempo restante dedicado às máquinas CA. O Capítulo
9 é dedicado aos motores monofásicos e de propósitos especiais, como os motores
universais, os motores de passo, os motores CC sem escovas e os motores de polos
sombreados.
x Prefácio
Os problemas propostos e os de fim de capítulo foram revisados e corrigidos.
Desde a última edição, 70% ou mais dos problemas são novos ou foram modificados
desde a edição anterior.
Nos últimos anos, ocorreram modificações profundas nos métodos utilizados
para se ensinar máquinas elétricas aos engenheiros eletricistas e aos estudantes de
tecnologia elétrica. Ferramentas analíticas excelentes, tais como MATLAB*, tor-
naram-se amplamente disponíveis nos currículos de engenharia das universidades.
Essas ferramentas tornam simples a realização de cálculos muito complexos, per-
mitindo que os estudantes explorem interativamente o modo de comportamento dos
problemas. Fundamentos de Máquinas Elétricas faz uso criterioso de MATLAB
para reforçar a experiência de aprendizagem do estudante, sempre que apropriado.
Por exemplo, os estudantes podem usar MATLAB no Capítulo 6 para calcular as
características de conjugado versus velocidade dos motores de indução e para ex-
plorar as propriedades dos motores de indução de dupla gaiola de esquilo.
Este livro não ensina MATLAB. Presume-se que o estudante já tenha se fami-
liarizado com ele a partir de trabalhos anteriores. Além disso, o livro não depende
de que o estudante tenha acesso a MATLAB. Se estiver disponível, MATLAB pro-
porcionará um recurso adicional à experiência de aprendizagem. Entretanto, se ele
não estiver disponível, os exemplos envolvendo MATLAB poderão ser simplesmente
omitidos e o restante do texto ainda fará sentido.
Este livro nunca teria se tornado possível sem o auxílio de dezenas de pessoas
durante os últimos 25 anos. Para mim, é gratificante ver que ele permanece popu-
lar após todo esse tempo. Muito disso deve-se ao excelente retorno proporcionado
pelos leitores que o revisaram. Para esta edição, eu gostaria especialmente de agra-
decer:
Ashoka K.S. Bhat Jesús Fraile-Ardanuy
University of Victoria Universidad Politécnica de Madrid
William Butuk Riadh Habash
Lakehead University University of Ottawa
Shaahin Filizadeh Floyd Henderson
University of Manitoba Michigan Technological University
* MATLAB é uma marca registrada de The MathWorks, Inc.
The MathWorks, Inc., 3 Apple Hill Drive, Natick, MA 01760-2098 USA
E-mail: [email protected]; www.mathworks.com
Prefácio xi
Rajesh Kavasseri M. Hashem Nehrir
North Dakota State University Montana State University–Bozeman
Ali Keyhani Ali Shaban
The Ohio State University California Polytechnic State University,
San Luis Obispo
Andrew Knight
University of Alberta Kuang Sheng
Rutgers University
Xiaomin Kou
University of Wisconsin–Platteville Barna Szabados
McMaster University
Ahmad Nafisi
California Polytechnic State University, Tristan J. Tayag
San Luis Obispo Texas Christian University
Subhasis Nandi Rajiv K. Varma
University of Victoria The University of Western Ontario
Stephen J. Chapman
Melbourne, Victoria, Austrália
Sumário resumido
Capítulo 1 Introdução aos princípios de máquinas 1
Capítulo 2 Transformadores 65
Capítulo 3 Fundamentos de máquinas CA 152
Capítulo 4 Geradores síncronos 191
Capítulo 5 Motores síncronos 271
Capítulo 6 Motores de indução 307
Capítulo 7 Fundamentos de máquinas CC 404
Capítulo 8 Motores e geradores CC 464
Capítulo 9 Motores monofásicos e para aplicações especiais 565
Apêndice A Circuitos trifásicos 613
Apêndice B Passo de uma bobina e enrolamentos distribuídos 639
Apêndice C Teoria dos polos salientes das máquinas síncronas 659
Apêndice D Tabelas de constantes e fatores de conversão 669
Índice 671