Máquinas Elétricas e Alguns Engenhos - 2.ª Edição

1 Conceitos básicos de circuitos elétricos de
potência
1.1 Introdução
1.2 Diagramas de fasores
1.3 Relações analíticas em circuitos de corrente alternada
1.4 Polaridade. Notação do sentido das grandezas
1.5 Sistemas trifásicos
1.5.1 Introducao
1.5.2 Ligacao em triangulo
1.5.3 Ligacao em estrela
1.5.4 Sequencia de fases
1.6 Potências
1.6.1 Introducao
1.6.2 Potencia complexa
1.6.3 Triangulo de potencias
1.6.4 Fluxo de potencia
1.6.5 Potencias em sistemas trifasicos equilibrados
1.7 Questões de estudo
1.8 Exercícios
1.8.1 Exercício 1
1.8.2 Exercício 2
1.8.3 Exercício 3
1.8.4 Exercício 4
1.8.5 Exercício 5
1.8.6 Exercício 6
1.8.7 Exercício 7
1.8.8 Exercício 8
1.8.9 Exercício 9
1.8.10 Exercício 10
1.8.11 Exercício 11
1.8.12 Exercício 12
2 Alguns conceitos fundamentais de mecânica
2.1 Introdução
2.2 Força mecânica
2.3 Binário mecânico
2.4 Energia mecânica (trabalho)
2.5 Potência mecânica
2.6 Potência de um motor rotativo
2.7 Transformação de energia
2.8 Rendimento de uma máquina elétrica
2.9 A energia cinética com o movimento linear
2.10 A energia cinética numa massa com o movimento de rotação
2.11 Variação de velocidade
2.12 Velocidade de um sistema mecânico, velocidade de um motor
2.13 Fluxo de potência mecânica num sistema acoplado
2.14 Análise de um motor acionando uma carga considerando a
inércia
2.15 Acionamento de cargas com movimentos lineares com
motores elétricos
2.16 Índices de proteção (IP)
2.17 Tipos de regime
2.18 Classes térmicas
2.19 Proteções térmicas
2.20 Temperatura ambiente e altitude da instalação
2.21 Formas construtivas normalizadas
2.22 Altura do eixo
2.23 Atmosferas explosivas
2.24 Exercícios resolvidos
2.24.1 Exercício 1
2.24.2 Exercício 2
2.24.3 Exercício 3
2.24.4 Exercício 4
2.24.5 Exercício 5
2.24.6 Exercício 6
2.24.7 Exercício 7
2.24.8 Exercício 8
3 Conceitos fundamentais da conversão de
energia em eletrotecnia
3.1 Introdução
3.2 A força mecânica num condensador
3.3 O campo magnético num toro
3.4 Circuitos magnéticos série e paralelo
3.5 Materiais ferromagnéticos
3.6 Circuitos magnéticos em materiais ferromagnéticos e no ar
3.7 O Fluxo magnético de fugas
3.8 Potência de perdas no núcleo de ferro
3.9 Fluxo magnético de ligação
3.10 Força e energia armazenada em campos magnéticos
3.11 Coeficiente de autoindução e indutância mútua
Questões de estudo
4 Máquinas de corrente contínua
4.1 Introdução
4.2 Gerador de corrente contínua (dínamo)
4.2.1 A producao de uma tensao
4.2.2 Forca eletromotriz (fem)
4.2.3 Binario eletromagnetico
4.2.4 Tipos de bobinagem
4.2.5 Constituicao
4.2.6 Configuracoes
4.2.7 Curvas caracteristicas
4.3 Exercícios sobre dínamos
4.3.1 Exercício 1
4.3.2 Exercício 2
4.3.3 Exercício 3
4.4 Motor de corrente contínua
4.4.1 Principio de funcionamento
4.4.2 Constituicao
4.4.3 A forca contra eletromotriz
4.4.4 Corrente de arranque
4.4.5 Potencia mecanica
4.4.6 Balanco energetico
4.4.7 Controlo de velocidade (motor de excitacao independente)
4.4.8 Configuracoes
4.5 Exercícios resolvidos sobre motores DC convencionais
4.5.1 Exercício 1
4.5.2 Exercício 2
4.5.3 Exercício 3
4.5.4 Exercício 4
4.5.5 Exercício 5
4.5.6 Exercício 6
4.6 Máquinas DC não convencionais (de íman permanente)
4.6.1 Iman permanente convencional
4.6.2 Sem nucleo (coreless)
4.6.3 Sem escovas (brushless)

5 Transformador monofásico
5.1 Aspetos gerais
5.2 A necessidade de utilização de transformadores
5.3 O transformador monofásico ideal
5.3.1 Funcionamento em vazio
5.3.2 Fluxo de dispersao
5.3.3 Funcionamento em carga
5.4 Obtenção do circuito equivalente
5.4.1 Reducao do secundario ao primario
5.4.2 Circuito equivalente simplificado reduzido ao primario
5.4.3 Ensaio em vazio
5.4.4 Ensaio em curto-circuito
5.5 Corrente de curto-circuito à tensão nominal
5.5.1 Corrente de curto-circuito no secundario
5.5.2 Corrente de curto-circuito no primario
5.6 Corrente de ligação
5.7 Queda de tensão em carga
5.7.1 Aproximacao de Kapp
5.7.2 Regulacao
5.8 Constante de tempo térmica
5.9 Perdas
5.9.1 Perdas no cobre
5.9.2 Perdas no ferro
5.10 Balanço Energético
5.10.1 Potencias ativas
5.10.2 Potencias reativas
5.10.3 Rendimento
5.10.4 Algumas oportunidades de reducao do consumo de energia
5.11 Magnetostrição
5.12 Elementos constitutivos
5.12.1 Contituicao geral
5.12.2 Nucleo
5.12.3 Enrolamentos
5.13 Exercícios resolvidos
5.13.1 Exercício 1
5.13.2 Exercício 2
5.13.3 Exercício 3
5.13.4 Exercício 4
5.13.5 Exercício 5
5.13.6 Exercício 6
5.13.7 Exercício 7
6 Transformador trifásico
6.1 Introdução
6.2 Exemplo de utilização
6.3 Constituição
6.4 Tipos de Ligações
6.5 Exemplos de aplicações dos tipos de ligação
6.6 Tipos de núcleo de transformadores trifásicos
6.7 Designações dos terminais
6.8 Potências e rendimento
6.9 Relação de transformação e relação do número de espiras
6.10 Índice Horário
6.11 Paralelo de transformadores
6.12 Ensaios
6.12.1 Ensaio em vazio
6.12.2 Ensaio em curto-circuito
6.13 Transformadores de distribuição MT/BT
6.13.1 Introducao
6.13.2 Classes de temperatura mais utilizadas
6.13.3 Protecoes
6.13.4 Codigos de refrigeracao
6.13.5 Colocacao em servico
6.13.6 Manutencao
6.13.7 Algumas oportunidades de melhoria no consumo de energia
6.14 Exercícios resolvidos
6.14.1 Exercício 1
6.14.2 Exercício 2
6.14.3 Exercício 3
7 Transformadores especiais
7.1 Introdução
7.2 Autotransformador
7.2.1 Autotransformador monofasico
7.2.2 Autotransformador trifasico
7.3 Transformadores de medida
7.3.1 Introducao
7.3.2 Transformadores de Tensao (TT)
7.3.3 Transformadores de Corrente (TC ou TI)
7.3.4 Transformador de corrente somador
7.4 Transformadores trifásicos usando apenas dois transformadores
7.4.1 Transformador com ligacao V – V (ou ? aberto)
7.4.2 Transformador com ligacao Scott
7.4.3 Transformador com ligacao Le Blanc
7.5 Transformadores de número de fases
7.5.1 Transformador trifasico – hexafasico
7.6 Exercícios resolvidos
7.6.1 Exercício 1
7.6.2 Exercício 2
7.6.3 Exercício 3
7.6.4 Exercício 4
8 Máquinas de indução
8.1 Introdução
8.2 Aspetos construtivos
8.3 Campo magnético girante
8.4 A máquina em serviço
8.5 Os três modos de serviço
8.5.1 Servico motor
8.5.2 Servico gerador
8.5.3 Servico freio
8.6 Modelo. O circuito equivalente.
8.6.1 Introducao
8.6.2 O sistema do estator
8.6.3 O sistema do rotor
8.6.4 O circuito equivalente completo
8.6.5 Varias configuracoes de circuitos equivalentes simplificados
8.7 Ensaios em vazio, ensaios com o rotor bloqueado e os
parâmetros do circuito equivalento
8.7.1 Ensaio em vazio
8.7.2 Ensaio de rotor bloqueado
8.7.3 Exemplo
8.8 Características de desempenho
8.9 Fluxos de potência nos três modos de serviço
8.9.1 Introducao
8.9.2 Fluxo de potencia como motor
8.9.3 Fluxo de potencia como gerador
8.9.4 Fluxo de potencia como freio
8.10 Efeitos da resistência do rotor
8.11 Técnicas de estimativa de carga
8.11.1 Metodos graficos
8.11.2 Metodo baseado na medicao da potencia eletrica
8.11.3 Metodo baseado na medicao do deslizamento (metodo menos preciso)
8.11.4 Metodo baseado na medicao do deslizamento (metodo mais preciso)
8.12 Motor de indução de elevado rendimento
8.12.1 Classificacao do desempenho energetico de motores
8.12.2 Avaliacao economica do investimento
8.12.3 Metodologia dos Custos de Ciclo de Vida
8.13 Arranque de sistemas mecânicos com motores de indução
8.13.1 Introducao
8.13.2 Arranque direto
8.13.3 Arranque estrela – triangulo (Y - D)
8.13.4 Arranque por impedancias no estator
8.13.5 Arranque por resistencias no rotor
8.13.6 Arranque em motores de enrolamentos divididos (“part-winding”)
8.13.7 Arranque com autotransformador
8.13.8 Arranque eletronico por variacao da tensao
8.13.9 Resumo de tipos de arranque
8.14 Variação de velocidade
8.14.1 Introducao
8.14.2 Enrolamentos no estator separados
8.14.3 Variacao da amplitude da tensao
8.14.4 Variacao eletronica de velocidade (conversores de frequencia)
8.14.5 Outros sistemas eletromecanicos de variacao de velocidade
8.15 Frenagem elétrica
8.15.1 Frenagem por recuperacao de energia
8.15.2 Frenagem por inversao do campo girante
8.15.3 Frenagem por injecao de corrente continua
8.16 Motores trifásicos alimentados em monofásico
8.17 Desempenho do motor de indução monofásico
8.17.1 Introdução
8.17.2 Motor de inducao monofasico com fase auxiliar
8.17.3 Motor de inducao monofasico com condensador de arranque
8.17.4 Motor de inducao monofasico com condensador permanente
8.17.5 Motor de inducao monofasico com dois condensadores
8.17.6 Motor de inducao monofasico com polos sombreados
8.18 Exercícios resolvidos
8.18.1 Exercício 1
8.18.2 Exercício 2
8.18.3 Exercício 3
8.18.4 Exercício 4
8.18.5 Exercício 5
8.18.6 Exercício 6
8.18.7 Exercício 7
8.18.8 Exercício 8
8.18.9 Exercício 9
8.18.10 Exercício 10
8.18.11 Exercício 11
8.18.12 Exercício 12
8.18.13 Exercício 13
8.18.14 Exercício 14
8.18.15 Exercício 15
8.18.16 Exercício 16
9 Máquinas síncronas
9.1 Introdução
9.2 Máquina síncrona convencional
9.2.1 Introducao
9.2.2 Configuração geral de um alternador
9.2.3 Princípio de funcionamento
9.2.4 Campo magnético girante
9.2.5 Número de polos
9.2.6 Força eletromotriz
9.2.7 Estator
9.2.8 Rotor
9.2.9 Sistemas de excitação
9.2.10 Alternador Lundell
9.2.11 Exemplo de integração em unidade de produção
9.2.12 Curva de tensão em vazio (característica em vazio)
9.2.13 Curva de corrente em curto-circuito (característica em curto-circuito)
9.2.14 Reatância síncrona
9.2.15 Característica em carga
9.2.16 O alternador alimentando uma carga isolada
9.2.17 Paralelo com a rede
9.3 Máquina síncrona convencional como motor
9.3.1 Introdução
9.3.2 Curvas em V ou de Mordey
9.3.3 Funcionamento como compensador síncrono
9.3.4 Exemplo de um alternador a alimentar um motor síncrono
9.3.5 Comparação
9.4 Motor passo-a-passo
9.5 Motor de síncrono de íman permanente ou motor de
relutância síncrono
9.6 Exercícios resolvidos
9.6.1 Exercício 1
9.6.2 Exercício 2
Algumas Referências

André Fernando Ribeiro de Sá
Engenheiro Eletrotécnico e de Computadores, ramo de sistemas de energia, pela FEUP – Licenciatura (2000) e Mestrado (2003). Pós-graduado em gestão de energia – eficiência energética, pelo ISQ (2008). Título de Especialista em Engenharia Eletrotécnica pela Universidade de Aveiro (2012). Nascido em Espinho em 1977, é especialista em gestão de energia e em exploração de instalações elétricas. Técnico reconhecido SGCIE. Membro sénior da Ordem dos Engenheiros (Colégio de Engenharia Eletrotécnica). Docente da ESTGA - Universidade de Aveiro no curso de Engenharia Eletrotécnica, tendo já lecionando várias unidades curriculares como Elementos de Eletromagnetismo, Circuitos Elétricos, Máquinas Elétricas, Conceção de Instalações Elétricas, Dimensionamento de Instalações Elétricas, Projeto de Instalações Elétricas, Instalações Elétricas Especiais, entre outras. Formador do CET de Instalações Elétricas e Automação Industrial e do CET de Energias Renováveis da ESTGA-UA em várias disciplinas: Eletrotecnia, Aparelhagem e Medidas Elétricas. Exerceu cargo de Diretor de curso do CET de Energias Renováveis. Docente da Universidade Lusófona do Porto no curso de Engenharia Eletrotécnica de Sistemas de Energia, tendo já lecionado várias unidades curriculares como Projeto de Instalações Elétricas, Instalações Elétricas e orientação de projetos/estágios. Técnico responsável de várias instalações elétricas de serviço particular em alta, média e baixa tensão. Além do presente livro é autor de vários artigos em diversas revistas na vertente energia e eletricidade e autor do livro “Guia de aplicações de gestão de energia e eficiência energética” (3.ª edição). Tem realizado várias formações de caracter industrial: atuadores elétricos, cogeração, eficiência energética, máquinas elétricas, entre outros. Tem colaborado ou já colaborou, entre outros, com o Grupo Têxtil Riopele, INESC Porto, Edifícios Saudáveis Consultores, Schneider Electric Portugal, DAPE, GPS, Smartwatt, Pavicentro, Lidergraf, J.O. Agrícola e Aquatlantis.

António Eduardo Pereira Coutinho Barbosa
Licenciado em 1977 em Engenharia Eletrotécnica, opção Automação e Controlo pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
Iniciou a sua atividade profissional onde, durante mais de 30 anos, realizou projetos, fiscalização e ensaios de instalações elétricas de grande dimensão e, muito especialmente, de instalações de produção de energia de pequena e média potência, nomeadamente de instalações de cogeração. Projetou diversas máquinas elétricas, nomeadamente de motores de indução e transformadores.
Simultaneamente, lecionou na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto disciplinas de Eletrotecnia e de Máquinas Elétricas, como assistente estagiário, e, após provas de Aptidão Pedagógica e de Capacidade Científica, como assistente e assistente convidado. Atualmente, leciona no curso de licenciatura em engenharia eletrotécnica como Professor Adjunto convidado na ESTGA - Universidade de Aveiro. É membro sénior da Ordem dos Engenheiros (Colégio de Engenharia Eletrotécnica).