CEE - Máquinas de Indução Trifásicas - 2023-2024 PDF

Conversão de Energia Elétrica 2023/2024 Email: [email protected] Sérgio Manuel Ângelo da Cruz Prof. Associado c/ Agregação do DEEC-FCTUC Email: [email protected] Motivação Máquinas Eléctricas AC...

Conversão de Energia Elétrica 2023/2024 Email: [email protected] Sérgio Manuel Ângelo da Cruz Prof. Associado c/ Agregação do DEEC-FCTUC Email: [email protected] Motivação Máquinas Eléctricas AC Propulsão de veículos elétricos e híbridos Motor de tração do Tesla Model S Especificações do motor o Trifásico, 4 polos, 310 kW, 601 Nm o Refrigerado a água (solução habitual em motores de tração) 1 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Motivação Propulsão de navios e ferries 2 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Motivação Propulsão de aviões híbridos e totalmente elétricos Motor de propulsão de avião com 2 MW!!! 3 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Motivação Geradores eólicos 4 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Motivação Força motriz nas mais variadas aplicações industriais 5 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Máquina de indução trifásica Principais Componentes ► Estator  Carcaça  Circuito magnético  Enrolamentos estatóricos ► Rotor  Circuito magnético  Gaiola rotórica ou enrolamentos rotóricos  Veio ► Rolamentos 6 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Vista explodida de um motor de indução com rotor em gaiola de esquilo Tampa posterior Enrolamentos Veio Rotor Rolamento Ventilador Estator 7 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Rotor em gaiola de esquilo 8 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Motor tração Tesla – Modelo S  Especificações do motor o 3 fases, 4 polos, 310 kW, 601 Nm o Rotor com gaiola em cobre o Refrigerado a água Motor de tração 9 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Montagem de um motor de indução Enrolamentos do estator 10 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Máquina de indução Vista de perfil 11 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Princípio de funcionamento Criação do campo girante 12 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Princípio de funcionamento Criação do campo girante 13 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Princípio de funcionamento Criação do campo girante ► Velocidade de sincronismo: 60 × f s ns = [rpm] p f s − Frequência de alimentação do estator p − Número de pares de polos ► Deslizamento: n s − n Ω s − Ω ωs − ω =s = = ns Ωs ωs 14 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Princípio de funcionamento Criação do campo girante – Prova analítica ˆ Fˆ1 Fˆ1 Fa (θ=, t ) F1 cos (θ ).cos (ω= t) cos (θ − ω t ) + cos (θ + ω t ) 2 2 ˆ  2π   2π  Fˆ1 Fˆ1  4π  Fb (θ = , t ) F1 cos  θ − .cos  ω t − =  cos ( θ − ω t ) + cos  θ + ω t −   3   3  2 2  3  ˆ  2π   2π  Fˆ1 Fˆ1  4π  Fc (θ = , t ) F1 cos  θ + .cos  ω t + =  cos (θ − ω t ) + cos  θ + ω t +   3   3  2 2  3  3 ˆ F =total (θ , t ) F1 cos (θ − ω t ) ► Campo girante a rodar no sentido 2 direto ou positivo (anti-horário!) 15 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Princípio de funcionamento Força magnetomotriz 16 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Esquema equivalente por fase 17 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Relações matemáticas ► Binário eletromagnético Pg 2π f Rr' ' 2 Pg = Tem Ω s ⇒ Tem = Ωs = s Pg = 3 I r Ωs p s Pmec= (1 − s ) Pg P Rr' (1 − s ) ' 2 Pmec = Tem Ω m ⇒ Tem = mec Ω m = (1 − s )Ω s Pmec =3 Ir Ωm s ► Perdas no cobre do rotor Pcu ,r = sPg s deve ser reduzido para se obterem rendimentos elevados! 18 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Equivalente de Thévenin ' Is Rs jX ls A jX lr' Rr' Ir I0 Im I Fe Rr' (1 − s ) Us Es Uh jX m RFe s B Equivalente Thévenin 19 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Equivalente de Thévenin ► Tensão e impedância de Thévenin jX m || RFe U th = Us Z th =jX m || RFe || ( Rs + jX ls ) =Rth + jX th Rs + jX ls + ( jX m || RFe ) ► Binário eletromagnético 2 ' 3U R Tem th × r  Rr'  2  s Ω s  Rth +  + ( X th + X lr )  ' 2  s   20 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Curva do binário em função do deslizamento Funcionamento como travão Funcionamento como motor Funcionamento como gerador Tk Tarranque Tn sk sn 21 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento Binário máximo ► Teorema da transferência de potência máxima para R’r/s: ' R Z total = r sk Rr' sk = R + ( X th + X 2 ) ' 2 3U th2 th lr Tk =  ' 2 2Ω s  Rth + Rth + ( X th + X lr )  2   22 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Análise do funcionamento ► Binário de arranque 2 ' 3U R Tarranque= Tem ( s= 1)= th r Ω s ( Rth + Rr ) + ( X th + X lr )   ' 2 ' 2   Equação de Kloss ► Se Rs e RFe forem desprezáveis, então virá: Tem 2 = Tk s sk + sk s 23 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Influência de resistências rotóricas externas (motores de rotor bobinado) no binário eletromagnético T ► O motor desenvolve um dado binário Tx a um deslizamento s1; com resistências adicionais Rad irá desenvolver o mesmo binário a um deslizamento s2, satisfazendo a relação: ' ' ' R R +R = r r ad s1 s2 24 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Rendimento em função do regime de carga 25 Licenciatura em Eng. Eletrotécnica e de Computadores | Conversão de Energia Elétrica Máquina de Indução Trifásica Bibliografia ► Livros relevantes: A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, S. D. Umans: “Electric Machinery”, Sexta edição, McGraw-Hill, 2003. [Teoria e exercícios práticos]. S. K. Sahdev: “Electrical Machines”, Cambridge University Press, 2018. [Teoria]. 26 Licenciatura em Eng. 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