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quinta-feira, 9 de setembro de 2010

10a Aula de Máquinas Elétricas CA

Olá turma, bom dia!


Nessa aula falamos sobre a curva completa de velocidade e escorregamento pelo torque de motores trifásicos de indução, como essa curva é afetada pela variação da resistência do rotor de um MIT de rotor bobinado, e como é afetada pelos tipos diferentes de gaiola de esquilo.


A curva de velocidade e escorregamento pelo torque é a seguinte:


Essa curva é construída fazendo-se uso do circuito equivalente do motor, assunto que veremos em breve, e mostra três regiões de operação: (i) Freio eletromagnético, (ii) Motor e (iii) Gerador.


(i) Conforme discutimos em sala de aula, a operação como freio ocorre quando o escorregamento é maior que 1 e só acontece quando fazemos o campo magnético girante girar em sentido contrário ao giro do rotor. Nesse instante temos pólos iguais cruzando-se e não temos mais o campo magnético do rotor sendo arrastado pelo campo do estator, portanto o motor perde velocidade até parar e se não for desligado tenderá a girar em sentido contrário.


Ainda nesse modo de operação, com escorregamento maior que 1, temos uma aplicação chamada de gerador de frequência (ou conversor de frequência). Faz-se uso de um MIT de rotor bobinado onde através de uma máquina auxiliar fazemos o rotor girar em sentido contrário ao campo e as tensões e correntes induzidas no  rotor são coletadas através dos anéis deslizantes aproveitam a energia que seria dissipada por efeito joule na frenagem para alimentar uma carga  de tensão e frequência específicas, dada por uma fração da  frequência original proporcional ao escorregamento (frotor = s . frede). Vide figura abaixo.

(ii) Na operação como motor temos que o rotor em vazio gira próximo a velocidade síncrona, caso isso fosse passível de ocorrer sem auxílio externo o escorregamento do motor seria zero e não teríamos tensões nem correntes induzidas no rotor, e nenhum torque seria desenvolvido pelo motor. Ao adicionarmos carga ao motor, percebemos que sua velocidade diminui e seu escorregamento e torque na ponta do eixo aumentam. Um ponto de particular interesse na curva é o de torque, velocidade e escorregamento nominais. Esse ponto é o que o motor apresenta melhor desempenho, menos perdas e  excelente rendimento. Aumentando ainda mais a carga, temos um ponto onde a carga é crítica, temos o torque crítico máximo que o motor é capaz de fornecer por alguns instantes que ocorre a uma dada velocidade e escorregamento. Uma carga além dessa faz o escorregamento aumentar e o campo magnético do rotor perderá sincronismo com o campo girante do estator fazendo o motor perder torque e velocidade até que seu rotor fique bloqueado. Nesse ponto o escorregamento é máximo para o motor (unitário) e o torque de rotor bloqueado é de mesma magnitude que o torque de partida. A máquina não deve ser mantida com rotor bloqueado por muito tempo sob o risco de ser danificada permanentemente, sendo a região entre torque crítico e rotor bloqueado uma região de não-operação do motor.

(iii) Na região de operação como gerador, na mesma figura inicial, temos escorregamento negativo significando que o rotor da máquina gira na mesma direção do campo magnético girante do estator, mas a uma velocidade superior. Isso faz com que o fluxo de potência ativa que percorre a máquina se inverta e potência líquida do eixo seja convertida em potência elétrica ativa e fornecida nos terminais do estator para a rede que anteriormente alimentava o motor. Nessa condição o motor ainda precisa de fluxo de energia reativa vinda da rede apesar de exportar energia ativa. Para tornar o motor autônomo da rede um banco de capacitores se faz necessário para compensar o efeito indutivo do motor, vide as duas figuras abaixo.

gerador dependente da rede
gerador em modo autônomo

A configuração de gerador, com escorregamento negativo, pode ser utilizada para uma outra aplicação especial: o freio regenerativo. Considere um motor de indução de rotor bobinado. Através do controle de frequẽncia podemos reduzir a velocidade síncrona abaixo ddo valor da do rotor, fazendo com que a máquina entre na operação como gerador ao mesmo tempo em que uma força contrária ao movimento é induzida no rotor frenando o mesmo. Se a frequência for reduzida continuamente temos a operação do freio regenerativo. A energia gerada nesse modo de operação pode ser armazenada em capacitores e ser disponibilizada ao motor quando necessário (turbo nas máquinas de F1).

Falamos também em como a curva de torque pela velocidade e escorregamento do rotor varia com o aumento da resistência do mesmo. Vimos que ao aumentarmos a resistência o torque crítico é mantido no mesmo nível, apenas ocorre a uma velocidade inferior. Ou seja a curva é inclinada para o eixo do torque e como consequência temos um aumento do torque de partida para o motor no aumento da resistẽncia do rotor. Portanto, podemos ter um controle de velocidade para uma dada condiçao de carga e podemos melhorar o torque de partida do motor, ambos com um controle da resistência do rotor. Observe as figuras abaixo.

De (R2) para (R2''') temos aumento da resistência do rotor
Variação da curva para 3tipos de rotor em gaiola


Obs: No rotor em gaiola de esquilo temos várias configurações de gaiola que aumentam a resistência do rotor na partida e não interferem o comportamento do motor em regime. Um exemplo é o rotor em dupla gaiola e o rotor com  gaiola de latão.

Finalizamos dizendo que o comportamento da corrente do motor cresce com o aumento da carga e continua a cresce mesmo apósa região de torque cŕitico tendo seu valor máximo na condição de rotor bloqueado. Nessa condição toda a potência de entrada trazida por essa elevada corrente é dissipada em forma de calor em pequena parte no estator e em maior parte no rotor, levando a danificação do motor. Observe a figura abaixo para corrente no rotor.
corrente do rotor variando com a velocidade (indiretamente com a carga)

corrente do motor variando com a resistência do rotor

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