Máquinas elétricas de corrente alternada

As máquinas elétricas são usadas para converter energia mecânica em energia elétrica (geradores CA e CC) e vice-versa (motores elétricos).

Em todos esses casos, são utilizadas essencialmente três descobertas principais no campo do eletromagnetismo: o fenômeno da interação mecânica de correntes descoberto por Ampere em 1821, o fenômeno da indução eletromagnética descoberto por Faraday em 1831 e o resumo teórico desses fenômenos feito por Lenz (1834) em sua conhecida lei da direção da corrente induzida (na verdade, a lei de Lenz previu a lei de conservação de energia para processos eletromagnéticos).

Para converter energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa, é necessário criar um movimento relativo de um circuito condutor com uma corrente e um campo magnético (ímã ou corrente).

Em máquinas elétricas projetadas para operação contínua, é utilizado o movimento rotativo da parte móvel da máquina (o rotor da máquina de corrente alternada) localizada dentro da parte estacionária (o estator).A bobina da máquina que serve para criar o campo magnético é chamada de indutor, e a bobina que circula com a corrente de operação é chamada de armadura. Ambos os últimos termos também são usados ​​para máquinas DC.

Para aumentar a indução magnética, os enrolamentos da máquina são colocados em corpos ferromagnéticos (aço, ferro fundido).

Todas as máquinas elétricas possuem a propriedade de reversibilidade, ou seja, podem ser utilizadas tanto como geradores de energia elétrica quanto como motores elétricos.

Motores assíncronos

Os motores assíncronos são usados uma das manifestações da indução eletromagnética… Nos cursos de física é demonstrado da seguinte forma:

Debaixo de um disco de cobre, que pode girar em torno de um eixo vertical que passa pelo seu centro, é colocado um ímã de ferradura vertical acionado para girar em torno do mesmo eixo (a interação mecânica entre o disco e o ímã é excluída). Nesse caso, o disco começa a girar na mesma direção do ímã, mas a uma velocidade menor. Se você aumentar a carga mecânica no disco (por exemplo, aumentando o atrito do eixo contra o mancal axial), sua velocidade de rotação diminui.

O significado físico deste fenômeno é facilmente explicado pela teoria da indução eletromagnética: quando o ímã gira, um campo magnético rotativo é criado, o que induz correntes parasitas no disco, cuja magnitude depende, outras coisas sendo iguais, do velocidade relativa do campo e do disco.

De acordo com a lei de Lenz, o disco deve girar na direção do campo. Na ausência de atrito, o disco deve adquirir uma velocidade angular igual à velocidade do ímã, após o que a fem induzida desaparecerá. Na vida real, o atrito está inevitavelmente presente e o disco se torna mais lento.Sua magnitude depende do momento de frenagem mecânica experimentado pelo disco.

A discrepância entre a velocidade de rotação do disco (rotor) e a velocidade de rotação do campo magnético é refletida no nome dos motores.

O princípio de funcionamento dos motores assíncronos:

Em motores assíncronos técnicos (na maioria das vezes trifásicos), um campo magnético rotativo é criado corrente polifásicafluindo em torno do enrolamento do estator estacionário. Na frequência da corrente trifásica é e o número de bobinas do estator 3p campo rotativo faz n = f / p revoluções / seg.

Um rotor giratório está localizado na cavidade do estator. Um mecanismo giratório pode ser conectado ao seu eixo.Nos motores de "célula de esquilo" mais simples, o rotor consiste em um sistema de hastes metálicas longitudinais colocadas nas ranhuras de um corpo cilíndrico de aço. Os fios são curto-circuitados por dois anéis. Para aumentar o torque, o raio do rotor é grande o suficiente.

Em outros projetos de motores (normalmente motores de alta potência), os fios do rotor formam um enrolamento trifásico aberto. As extremidades das bobinas são curto-circuitadas no próprio rotor e os condutores são levados para três anéis coletores montados no eixo do rotor e isolados dele.

Um reostato trifásico é conectado a esses anéis por meio de contatos deslizantes (escovas), que servem para colocar o motor em movimento. Depois que o motor é girado, o reostato é completamente removido e o rotor se torna uma gaiola de esquilo (consulte - Motores assíncronos com rotor bobinado).

Há uma placa de terminais no alojamento do estator. Os enrolamentos do estator são trazidos para eles. Eles podem ser incluídos estrela ou triângulo, dependendo da tensão da rede: no primeiro caso, a tensão da rede pode ser 1,73 vezes maior que no segundo.

O valor que caracteriza a desaceleração relativa do rotor em relação ao campo do estator do motor de indução é chamado Deslizamento… Passa de 100% (no momento da partida do motor) para zero (caso ideal de movimentação do rotor sem perdas).

A inversão do sentido de rotação do motor de indução é conseguida pela comutação mútua de cada dois condutores lineares da rede elétrica que alimenta o motor.

Motores de gaiola de esquilo são amplamente utilizados na indústria. As vantagens dos motores assíncronos são a simplicidade do projeto e a ausência de contatos deslizantes.

Até recentemente, a principal desvantagem desses motores era a dificuldade na regulação da velocidade, pois se a tensão do circuito do estator for alterada para isso, o torque muda drasticamente, mas era tecnicamente difícil alterar a frequência da corrente de alimentação. Dispositivos microprocessados ​​modernos são agora amplamente usados ​​para controlar a frequência da corrente de alimentação para variar a velocidade dos motores — conversores de frequência.

Alternadores

Os alternadores são construídos para potência significativa e alta tensão. Como máquinas assíncronas, eles têm dois enrolamentos. Normalmente, o enrolamento da armadura está localizado na carcaça do estator. Os indutores que criam o fluxo magnético primário são montados no rotor e alimentados por um excitador – um pequeno gerador CC montado no eixo do rotor. Em máquinas de alta potência, a excitação às vezes é criada por uma tensão alternada retificada.

Devido à imobilidade do enrolamento da armadura, desaparecem as dificuldades técnicas associadas ao uso de contatos deslizantes em altas potências.

A figura abaixo mostra um esquema de um gerador monofásico. Seu rotor tem oito pólos. Neles estão bobinas enroladas (não mostradas na figura) alimentadas por uma fonte externa por corrente contínua aplicada a anéis coletores montados no eixo do rotor. As bobinas dos pólos são enroladas de forma que os sinais dos pólos voltados para o estator se alternem. O número de pólos deve ser par.

O enrolamento da armadura está localizado na carcaça do estator. Seus longos fios "ativos" de trabalho, perpendiculares ao plano do desenho, são mostrados na figura com círculos, são cruzados pelas linhas de indução magnética quando o rotor gira.

Os círculos mostram a distribuição instantânea das direções dos campos elétricos induzidos. Os fios de conexão que correm ao longo da parte frontal do estator são mostrados com linhas sólidas e na parte traseira com linhas tracejadas. Os grampos K são usados ​​para conectar um circuito externo ao enrolamento do estator. O sentido de rotação do rotor é indicado por uma seta.

Se você cortar mentalmente a máquina ao longo de um raio que passa entre os grampos K e transformá-la em um plano, a posição relativa do enrolamento do estator e dos pólos do rotor (lado e plano) será representada com um desenho esquemático:

Considerando a figura, garantimos que todos os fios ativos (passando pelos pólos do indutor) estejam conectados entre si em série e o EMF induzido neles seja somado. As fases de todos os EMFs são obviamente as mesmas.Durante uma rotação completa do rotor, quatro períodos completos de mudança de corrente serão obtidos em cada um dos fios (e, portanto, no circuito externo).

Se uma máquina elétrica tem p pares de pólos e o rotor gira fazendo n revoluções por segundo, então a frequência da corrente alternada recebida pela máquina é f = pn hz.

Como a frequência do EMF na rede deve ser constante, a velocidade de rotação dos rotores deve ser constante. Para obter um EMF de frequência técnica (50 Hz), uma rotação relativamente lenta pode ser usada se o número de pólos do rotor for grande o suficiente.

Para obter corrente trifásica, três enrolamentos separados são colocados no corpo do estator. Cada um deles é deslocado em relação aos outros dois por um terço da distância do arco entre os pólos adjacentes (opostos) dos indutores.

É fácil verificar que quando os indutores giram, as EMFs são induzidas nas bobinas defasadas (no tempo) em 120°. As pontas das bobinas são retiradas da máquina e podem ser ligadas em estrela ou triângulo.

Em um gerador, a velocidade relativa do campo e do condutor é determinada pelo diâmetro do rotor, o número de revoluções do rotor por segundo e o número de pares de pólos.

Se o gerador for acionado por uma corrente de água (hidrogerador), geralmente é feito com rotações lentas. Para obter a frequência de corrente desejada, é necessário aumentar o número de polos, o que por sua vez requer um aumento no diâmetro do rotor.

Por uma série de razões técnicas poderosos geradores de hidrogênio eles geralmente têm um eixo vertical e estão localizados acima da turbina hidráulica, o que os faz girar.

Geradores acionados por turbina a vapor — Os geradores a turbina geralmente são de alta velocidade. Para reduzir as forças mecânicas, eles têm diâmetros pequenos e um número correspondentemente pequeno de pólos.Uma série de considerações técnicas requer a produção de geradores de turbina com um eixo horizontal.

Se o gerador for acionado por um motor de combustão interna, ele é chamado de gerador a diesel, pois os motores a diesel geralmente são usados ​​como motores que consomem combustível mais barato.

Reversibilidade do gerador, motores síncronos

Se uma tensão alternada for aplicada ao enrolamento do estator do gerador de uma fonte externa, haverá uma interação dos pólos do indutor com o campo magnético da corrente gerada no estator e os torques da mesma direção atuarão em todos os pólos.

Se o rotor girar a tal velocidade que logo após a metade do período da corrente alternada, o próximo pólo do indutor (oposto em sinal ao primeiro pólo) caberá sob o fio considerado do enrolamento do estator, então o sinal do a força de interação entre ele e a corrente, que mudou de direção, permanecerá a mesma.

Nessas condições, o rotor, estando sob a influência contínua do torque, continuará em movimento e poderá acionar qualquer mecanismo. A superação da resistência ao movimento do rotor ocorrerá devido à energia consumida pela rede, e o gerador se tornará um motor elétrico.

Deve-se notar, no entanto, que o movimento contínuo só é possível em uma velocidade de rotação estritamente definida, pois, em caso de desvio, um momento acelerador atuará parcialmente em cada um dos pólos do rotor, movendo-se entre os dois condutores do estator, parte do tempo - parando.

Assim, a velocidade de rotação do motor deve ser rigorosamente determinada, — o tempo durante o qual o pólo é substituído pelo próximo deve coincidir com o meio período da corrente, razão pela qual esses motores são chamados sincronizadamente.

Se uma tensão alternada for aplicada ao enrolamento do estator com um rotor estacionário, então, embora todos os pólos do rotor durante o primeiro meio ciclo da corrente experimentem a ação de torques do mesmo sinal, ainda, devido à inércia, o rotor não terá tempo para se mover. No próximo meio ciclo, o sinal dos torques para todos os pólos do rotor mudará para o oposto.

Como resultado, o rotor vibrará, mas não poderá girar. Portanto, o motor síncrono deve primeiro ser enrolado, ou seja, levado ao número normal de rotações, e só então a corrente no enrolamento do estator deve ser ligada.

O desenvolvimento de motores síncronos é realizado por métodos mecânicos (em baixas potências) e dispositivos elétricos especiais (em altas potências).

Para pequenas alterações de carga, a velocidade do motor mudará automaticamente para se adaptar à nova carga. Assim, à medida que a carga no eixo do motor aumenta, o rotor desacelera imediatamente. Portanto, a mudança de fase entre a tensão da linha e o EMF induzido oposto induzido pelo indutor no enrolamento do estator muda.

Além disso, a reação da armadura cria uma desmagnetização dos indutores, de modo que a corrente do estator aumenta, os indutores experimentam um torque aumentado e o motor começa a girar de forma síncrona novamente, superando o aumento da carga. Um processo semelhante ocorre com a redução de carga.

Com flutuações bruscas na carga, essa adaptabilidade do motor pode ser insuficiente, sua velocidade mudará significativamente, "cairá fora de sincronismo" e eventualmente parará, enquanto a indução EMF induzida no estator desaparece e a corrente nele aumenta acentuadamente. Portanto, flutuações bruscas na carga devem ser evitadas. Para parar o motor, obviamente você deve primeiro desconectar o circuito do estator e depois desconectar as bobinas; ao ligar o motor, você deve seguir a ordem inversa das operações.

Os motores síncronos são usados ​​com mais frequência para acionar mecanismos que operam a uma velocidade constante. Aqui estão as vantagens e desvantagens dos motores síncronos e os métodos para iniciá-los: Motores síncronos e suas aplicações

Tira de filme educativo - "Motores síncronos", criado pela fábrica de material didático-visual em 1966. Você pode assistir aqui: Filmstrip «Motor síncrono»