Máquinas Elétricas e Acionamento

627 Pages·2018·8.588 MB·Portuguese

by  Edson Bim

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c 2014, ElsevierEditoraLtda.
(cid:13)
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Revisão Gráfica: AugustoCoutinho
Editoração Eletrônica :EdsonBim
Ilustrações Gráficas :JuracyGomes Ferreira
ElsevierEditoraLtda.
Conhecimento semFronteiras
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ServiçodeAtendimento aoCliente
0800-0265340
[email protected]
ISBN:978-85-352-7713-5
ISBNversãodigital:97885352-7714-2
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CIP-BRASIL.CATALOGAÇÃO-NA-FONTE
SINDICATONACIONALDOSEDITORESDELIVROS,RJ
B497m
4.ed.
Bim,Edson
Máquinaselétricas eacionamento/Edson Bim.-4.ed.-RiodeJaneiro:Elsevier,
2014.
588p.:il.;24cm
Incluibibliografia
ISBN978-85-352-7713-5
1.Máquinaselétricas. 2.Engenharia elétrica.3.UNICAMP.Faculdadede
Engenharia elétricaecomputação. I.Título.
13-07787. CDD:621.31042
CDU:621.316.1
06/12.2013 10/12/2013
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À minha esposa Thadeusa
e aos meus filhos Thaís, Clarissa e Eduardo.
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Prefácio
Acaracterísticadeseapresentarumaintroduçãoàcompreensão,àmodelagem,àanálise
e ao controlede dispositivostransformadoresde energia elétricae conversoreseletrome-
cânicos de energia permanece nesta quarta edição.
Aqueles que estão familiarizados com as edições anteriores, notarão que, embora a
estrutura do livro seja mantida nesta quarta edição - os dez primeiros capítulos são
dirigidos, essencialmente, às disciplinas de graduação, e os seis últimos capítulos, às
disciplinas de pós-graduação -, inúmeras alterações foram feitas em todos os capítulos,
visando o devido refinamento ou correções de texto e de figuras ou, ainda, expandir ou
aprofundar alguns tópicos.
Assimsendo,no Capítulo4 sãoacrescentadasduasseções:uma dedicadaàscaracte-
rísticas de cargas mecânicas e outra que aborda sistemas de elevação, sendo que ambas
contêm novos exemplos e exercícios. Ao Capítulo 6, por sua vez, foi acrescentada uma
seção dedicada à transformação de Park, bem como uma síntese de transformações de
variáveis,escritas na forma matricial.
No que diz respeito ao controle vetorial, Capítulo 13, houve uma restruturação do
texto que apresenta o controle direto de torque, visando a melhor compreensão dessa
estratégia de controle. O Capítulo 15,que apresenta uma introdução às Máquinas Mul-
tifásicas, teve o seu conteúdo ampliado com a inserção da modelagem da máquina de
induçãopentafásicaedeumaabordagemmaisaprofundadadamáquinahexafásicaassi-
métrica.Porfim,oCapítulo16semantémemsuapropostainicialqueéadeserapenas
umarevisãosimplificadadoselementostípicosdetransmissãoeconversãodemovimento
utilizados nos acionamentos elétricos.
Espera-se, assim, que os vários tópicos abordados sobre a conversão e o controle
eletromecânicodeenergia,algunsdeformamaiscompleta,outrosdeformaintrodutória,
forneçam uma base sólida aos engenheiros que atuam na àrea de energia elétrica.
Agradeço a todos que, ao lerem o livro, fizeram observações e correções técnicas
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viii Máquinas Elétricas e Acionamento ELSEVIER
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essenciaisàmelhoriadasediçõesanteriores,e,portanto,enriqueceramsobremaneiraesta
quartaedição.Emespecial,sougratoaoprofessorPauloSergioDainezpelacontribuição
dada na escrita do capítulo que trata das máquinas multifásicas.
À equipe da Editora Elsevier sou grato, particularmente à Isabella Leal, pelo zelo
com que tratou o desenvolvimento dessa edição.
Edson Bim
Campinas, São Paulo
Setembro, 2018
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Sumário
Prefácio vii
1 Circuitos Magnéticos 1
1.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Densidade de fluxo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Intensidade de campo magnético e lei circuital de Ampère . . . . . 4
1.2.2 Força magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Geração de tensão elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 Produção de campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Tipos de materiais magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Histerese e curva de magnetização normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Circuito magnético, suas variáveis e parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Energia armazenada no campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Excitação alternada de bobinas envolvendo núcleos ferromagnéticos . . . . 30
1.6.1 Potência aparente de excitação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6.2 Perdas de potência no núcleo ferromagnético . . . . . . . . . . . . 33
1.6.3 Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.7 Fluxo magnético concatenado e indutância. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.7.1 Polaridade de enrolamentos magneticamente acoplados. . . . . . . 47
1.8 Ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.8.1 Característica de desmagnetização dos ímãs . . . . . . . . . . . . . 51
1.8.2 Ponto de operação do ímã sem fmm externa . . . . . . . . . . . . . 55
1.8.3 Ponto de operação do ímã com fmm externa. . . . . . . . . . . . . 61
Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
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x Máquinas Elétricas e Acionamento ELSEVIER
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2 Transformadores 67
2.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2 Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3 Teoria, relações básicas e circuito equivalente do transformador . . . . . . 71
2.3.1 Secundário aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.2 Secundário fechado por uma carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.3 Determinação experimental dos parâmetros do circuito equivalente 77
2.3.4 Regulação de tensão do transformador . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.5 Valores nominais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4 Autotransformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5 O sistema por unidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.5.1 Transformadoresmonofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.5.2 Transformadorestrifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6 Transformações trifásicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.1 Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.2 Conexão estrela-estrela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.6.3 Conexão delta-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.6.4 Conexão delta-estrela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.6.5 Conexão estrela-delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.6.6 Conexões especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.7 Operação de transformadores em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.8 Transformadoresreguladores de tensão e de ângulo de fase . . . . . . . . . 119
2.9 Transformadoresde múltiplos enrolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3 Princípios de Conversão Eletromecânica de Energia 131
3.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2 Sistemas magnéticos com excitação única . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2.1 Energia armazenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2.2 Força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.2.3 Coenergia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.2.4 Determinação da energia armazenada e da coenergia . . . . . . . . 139
3.2.5 Determinação da energia eletromecânica . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2.6 Modelo matemático da dinâmica de funcionamento . . . . . . . . . 149
3.2.7 Torque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.3 Sistemas magnéticos de dupla alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.4 Sistemas com ímãs permanentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.4.1 Sem fmm externa e com um ímã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.4.2 Com fmm externa e ímã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4 Configuração Básica e Princípio das Máquinas Elétricas Rotativas 171
4.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.2 Força magnetomotriz gerada por excitação monofásica . . . . . . . . . . . 176
4.2.1 Velocidade da onda espacial de força magnetomotriz monofásica . 178
4.3 Enrolamentos trifásicos e distribuídos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
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