Bem-vindo a esta exploração abrangente dos principais conceitos e princípios no campo da engenharia elétrica. Este artigo foi desenvolvido para fornecer um mergulho profundo no fascinante mundo dos transformadores e motores, dois componentes essenciais que alimentam nosso mundo moderno.
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Viajaremos pelas complexidades dos transformadores monofásicos, motores CC, motores assíncronos, geradores síncronos e muito mais. Cada seção é cuidadosamente elaborada para explicar princípios complexos de maneira acessível, tornando o mundo da engenharia elétrica mais acessível.
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45 Conceitos e Princípios Chave em Engenharia Elétrica
A corrente de um transformador monofásico em condições sem carga não está em fase com o fluxo magnético principal e há uma diferença de ângulo de fase aFe devido à presença de corrente de perda de ferro. A corrente sem carga é uma forma de onda de pico porque contém um grande terceiro harmônico.
O enrolamento da armadura de um motor CC também carrega uma corrente alternada. No entanto, o enrolamento de excitação carrega uma corrente contínua. Os modos de excitação de um motor DC incluem excitação separada, excitação paralela, excitação em série e excitação composta.
A expressão da força eletromotriz inversa de um motor CC é E = CE F n; a expressão do torque eletromagnético é Tem = CTFI.
O número de ramos paralelos em um motor DC é sempre em pares. No entanto, o número de ramificações paralelas em um enrolamento CA não é necessariamente o mesmo.
Em um motor DC, os elementos de um enrolamento de camada única são conectados em série de forma que um seja empilhado em cima do outro. Seja um enrolamento de onda única ou um enrolamento de camada única, o comutador conecta todos os elementos em série para formar um único circuito fechado.
Um motor assíncrono também é conhecido como motor de indução porque a corrente do rotor do motor assíncrono é gerada por indução eletromagnética.
Quando um motor assíncrono parte com tensão reduzida, o torque de partida diminui, e o torque de partida e o quadrado da corrente de partida do enrolamento diminuem proporcionalmente.
Quando a amplitude e a frequência da tensão do lado primário são constantes, o grau de saturação do núcleo do transformador é basicamente inalterado e a reatância de excitação também é basicamente inalterada.
A característica de curto-circuito de um gerador síncrono é uma linha reta. Quando ocorre um curto-circuito simétrico trifásico, o circuito magnético é insaturado; durante um curto-circuito de estado estacionário simétrico trifásico, o circuito de curto-circuito é um componente de eixo direto de desmagnetização pura.
A corrente no enrolamento de excitação de um motor síncrono é uma corrente contínua. Os métodos de excitação incluem principalmente excitação do gerador de excitação, excitação do retificador estático, excitação do retificador rotativo, etc.
Não há harmônicos pares na força magnetomotriz sintética trifásica; quando um enrolamento trifásico simétrico passa por uma corrente trifásica simétrica, não há harmônicos magnéticos que sejam múltiplos de 3 em sua força magnetomotriz sintética.
Os transformadores trifásicos geralmente esperam que um lado seja conectado em forma de delta ou que um lado seja aterrado no meio. Porque a conexão do enrolamento do transformador trifásico espera ter um caminho para a terceira corrente harmônica.
Quando um enrolamento trifásico simétrico passa por uma corrente trifásica simétrica, o quinto harmônico em sua força magnetomotriz sintética é invertido; o sétimo harmônico é para frente.
As características mecânicas do motor CC com excitação em série são relativamente suaves. As características mecânicas do motor DC excitado separadamente são relativamente difíceis.
Os testes de curto-circuito do transformador podem medir a impedância de fuga do enrolamento do transformador; enquanto os testes sem carga podem medir os parâmetros de impedância de excitação do enrolamento.
A relação de transformação do transformador é igual à relação de voltas do enrolamento primário para o enrolamento secundário. A relação de transformação de um transformador monofásico também pode ser expressa como a relação entre as tensões nominais dos lados primário e secundário.
Quando normalmente excitado, o fator de potência do gerador síncrono é igual a 1; mantendo a potência ativa de saída inalterada, quando a corrente de excitação é menor que a excitação normal (subexcitação), a natureza da reação da armadura do eixo direto é magnetizante; mantendo a potência ativa de saída inalterada, quando a corrente de excitação é maior que a excitação normal (excitação excessiva), a natureza da reação da armadura do eixo direto é desmagnetizante.
Em um motor DC, a perda de ferro existe principalmente no núcleo de ferro do rotor (núcleo de ferro da armadura) porque o campo magnético do núcleo de ferro do estator é basicamente inalterado.
Em um motor DC, o primeiro passo y1 é igual ao número de slots entre o primeiro e o segundo lado do elemento. O passo composto y é igual ao número de slots entre as arestas do elemento superior dos dois elementos conectados em série.
Em um motor DC, quando a saturação não é considerada, a característica da reação da armadura de eixo cruzado é compensar a posição do campo magnético zero, mas o fluxo magnético por polo não muda. Quando a escova está na linha neutra geométrica, a reação da armadura é magnética cruzada.
Em um motor CC, o componente que converte a energia CC externa em energia CA interna é o comutador. A função do comutador é converter CC em CA (ou vice-versa).
Em um motor síncrono, quando o fluxo magnético F0 da excitação de interligação do enrolamento do estator está em seu valor máximo, a força eletromotriz de retorno E0 atinge seu valor mínimo, quando F0 chega a zero, E0 atinge seu valor máximo, a relação de fase entre F0 e E0 é F0 adianta E0 em 90o. E a relação entre E0 e F0 é expressa como: E0 = 4,44 f N kN1F0.
Em um motor, o fluxo magnético de fuga refere-se ao fluxo magnético que apenas se interliga com o próprio enrolamento, e a força eletromotriz de retorno que ele gera pode muitas vezes ser equivalente a uma queda de reatância de fuga (ou queda de reatância negativa).
O rotor de um motor assíncrono tem dois tipos: gaiola de esquilo e rotor bobinado.
A taxa de escorregamento s de um motor assíncrono é definida como: a relação entre a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor para a velocidade síncrona. Quando o motor assíncrono trabalha no estado do motor, a faixa de sua taxa de escorregamento s é 1>s>0.
A curva Tem-s da relação entre o torque eletromagnético Tem e a taxa de escorregamento s de um motor assíncrono tem três pontos-chave, que são o ponto inicial (s = 1), o ponto de máximo torque eletromagnético (s=sm) e o ponto síncrono (s=0). Quando a resistência do rotor do motor assíncrono muda, as características de seu torque eletromagnético máximo Tem e a taxa de escorregamento sm são: o tamanho permanece inalterado e a posição de s muda.
O motor assíncrono deve absorver energia reativa de natureza atrasada da rede para excitação.
Quando uma corrente CA passa por um grupo de bobinas, sua força magnetomotriz tem uma natureza pulsante conforme o tempo muda. Uma única bobina passa uma corrente CA e sua força magnetomotriz também tem uma natureza pulsante conforme o tempo muda.
Quando um gerador síncrono é conectado à rede, é necessário que sua tensão terminal trifásica tenha o mesmo: frequência, amplitude, forma de onda, sequência de fase (e fase) da tensão trifásica da rede.
O rotor de um motor síncrono tem dois tipos: pólo saliente e cilíndrico.
O número de fase equivalente do rotor de gaiola de esquilo é igual ao seu número de slot e as voltas equivalentes por fase são 1/2.
Para um enrolamento CA trifásico simétrico, quando uma corrente CA trifásica simétrica é passada, sua força magnetomotriz sintética de onda fundamental é uma força magnetomotriz giratória circular e sua direção de rotação é do eixo de enrolamento de fase principal para o eixo de fase atrasada e, em seguida, para o próximo eixo de fase atrasada.
Existem dois métodos de conexão para os enrolamentos trifásicos de um transformador trifásico: estrela e triângulo; o circuito magnético tem duas estruturas: tipo núcleo e tipo casca.
Os seis números ímpares do grupo de conexão do transformador trifásico são 1, 3, 5, 7, 9, 11. E os seis números pares do grupo de conexão são 0, 2, 4, 6, 8, 10.
Em um enrolamento CA, o número de slots por polo por fase q =q = Z/2p/m (supondo que o número de slots seja Z, o número de pares de polos seja p e o número de fases seja m). Nos enrolamentos CA, são usadas bandas de fase de 120o e bandas de fase de 60o. O coeficiente de enrolamento da onda básica e a força eletromotriz de retorno da banda de fase 60o são maiores.
O método da componente simétrica pode ser usado para analisar a operação assimétrica de transformadores e motores síncronos. A premissa de sua aplicação é que o sistema é linear, então o princípio da superposição pode ser aplicado para decompor o sistema elétrico trifásico assimétrico em sequência positiva, sequência negativa, sequência zero e outros três grupos de sistemas trifásicos simétricos.
A fórmula de cálculo do coeficiente de passo curto é ky1 = sin(p/2×y1/t), e seu significado físico é o desconto (ou coeficiente de redução) dado pelo passo curto à força eletromotriz de retorno (ou força magnetomotriz) em comparação com o passo inteiro. A fórmula de cálculo do coeficiente de distribuição é kq1 = sin(qa1 /2 ) / q / sin(a1 / 2), e seu significado físico é o coeficiente de redução (ou desconto) da força eletromotriz de retorno (ou força magnetomotriz) em relação à situação concentrada quando as bobinas q são sucessivamente diferentes por um ângulo elétrico a1.
O transformador de corrente é usado para medir corrente e seu lado secundário não pode ser aberto. O transformador de tensão é usado para medir a tensão e seu lado secundário não pode sofrer curto-circuito.
O motor é um dispositivo que converte energia mecânica em energia elétrica (ou vice-versa) ou altera um nível de tensão CA para outro nível de tensão CA. Do ponto de vista da conversão de energia, os motores podem ser divididos em três categorias: transformadores, motores e geradores.
A fórmula de cálculo do ângulo elétrico a1 do passo da ranhura é a1 = p×360o/Z. Pode-se ver que o ângulo elétrico a1 do passo da fenda é p vezes o ângulo mecânico am do passo da fenda.
O princípio da conversão do enrolamento do transformador é: antes e depois da conversão, certifique-se de que a força magnetomotriz do enrolamento permaneça inalterada e assegure-se de que a potência ativa e reativa do enrolamento permaneça inalterada.
A característica da eficiência do transformador é que existe um valor máximo, que é atingido quando a perda variável é igual à perda constante.
O teste sem carga do transformador geralmente é realizado aplicando tensão e medindo no lado de baixa tensão. O teste de curto-circuito do transformador geralmente é realizado aplicando tensão e medindo no lado de alta tensão.
Quando o transformador é operado em paralelo, a condição para não haver circulação de corrente em vazio é: mesma relação de transformação e mesmo número de grupo de conexão.
Quando o transformador é operado em paralelo, o princípio da distribuição de carga é: o valor unitário da corrente de carga do transformador é inversamente proporcional ao valor unitário da impedância de curto-circuito. A condição para que a capacidade do transformador seja totalmente utilizada durante a operação em paralelo é: os valores por unidade da impedância de curto-circuito devem ser iguais e seus ângulos de impedância também devem ser iguais.
Compreender os princípios e conceitos da engenharia elétrica, especialmente aqueles relacionados a transformadores e motores, é crucial para qualquer pessoa envolvida no campo. Esse conhecimento não apenas ajuda na compreensão de como esses dispositivos funcionam, mas também auxilia na solução de problemas e na otimização de seu desempenho.
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