Aula 03 - Força e Conjugado Eletromagnético em Sistemas com Múltiplas Excitações e Transdutores
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📍 Disciplina: 02 Conversão Eletromecânica de Energia | 🏠 Hub Principal 📄 Apostilas Base (UFPR - TE323): TE 323 - Capitulo 4 - Conversão eletromecanica de energia | Colectanea de Problemas resolvidos ⬅️ Aula Anterior: Aula 02 - Balanço Energético e Coenergia | ➡️ Próxima Aula: Aula 04 - Máquinas Rotativas de Indução e Síncronas
Metadados da Aula
- Área: 04 Sistemas Elétricos de Potência e Eletrotécnica
- Carga Horária Equivalente: 4 horas-aula teóricas e analíticas
- Pré-requisitos: Aula 02 - Balanço Energético, Álgebra Linear (Matrizes e Formas Quadráticas), Sinais e Sistemas (Produtos Trigonométricos e Médias Temporais)
📌 Sumário da Aula
- 🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem
- 📋 2. Sumário Executivo e Síntese Conceitual
- ⚡ 3. Modelagem Matricial de Sistemas com Múltiplas Excitações
- 📐 4. Decomposição Rigorosa do Conjugado Eletromagnético
- 🔄 5. Condição Fundamental para Conjugado Médio Não-Nulo
- 🏭 6. Estudo de Caso Prático e Exercícios Resolvidos TE323
- 📝 7. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados
- 📚 8. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas
🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem
Nas máquinas elétricas industriais e nos grandes geradores de usinas hidrelétricas e termelétricas, a conversão de energia raramente ocorre com uma única bobina de excitação. A quase totalidade das máquinas rotativas e transdutores modernos opera com múltiplos enrolamentos acoplados magneticamente:
- Motores e geradores síncronos possuem enrolamentos trifásicos no estator e enrolamento de corrente contínua no rotor;
- Máquinas de indução possuem enrolamentos trifásicos no estator e gaiola de esquilo ou rotor bobinado trifásico no rotor;
- Servomotores de ímãs permanentes e atuadores galvano-métricos combinam correntes estatóricas com fontes de excitação rotóricas.
A presença de múltiplos enrolamentos introduz acoplamentos magnéticos mútuos que variam com a posição angular relativa do rotor (). A interação entre as correntes de cada enrolamento e a variação espacial das autoindutâncias e indutâncias mútuas dá origem a dois mecanismos físicos completamente distintos de produção de força mecânica e torque: o conjugado de relutância e o conjugado de alinhamento mútuo (eletrodinâmico).
Objetivos de Aprendizagem
- Modelar circuitos com múltiplos terminais elétricos através da matriz simétrica de indutâncias .
- Deduzir a coenergia magnética em notação matricial e bilinear para sistemas magneticamente lineares com enrolamentos.
- Decompor o conjugado eletromagnético total nas parcelas de relutância estatórica, relutância rotórica e alinhamento mútuo.
- Demonstrar por que máquinas de rotor liso cilíndrico não produzem conjugado de relutância e dependem exclusivamente da mútua.
- Provar analiticamente as condições de frequência e velocidade angular que permitem a produção de conjugado médio contínuo não-nulo sob excitações senoidais.
- Analisar a operação eletrodinâmica de geradores síncronos de polos salientes e máquinas de relutância variável.
📋 2. Sumário Executivo e Síntese Conceitual
| Parâmetro / Termo | Notação Matemática | Natureza Física | Dependência de Excitação | Comportamento Angular |
|---|---|---|---|---|
| Vetor de Correntes | Vetor coluna de correntes nos terminais elétricos | Imposto pelas fontes externas | Variável no tempo () | |
| Vetor de Fluxos Concatenados | Enlace total de fluxo em cada enrolamento | Depende de e | ||
| Matriz de Indutâncias | Matriz simétrica ( por conservação) | Função da geometria e da permeabilidade | Periódica em (período ou ) | |
| Coenergia Magnética Total | Energia armazenada disponível para trabalho útil | Função quadrática das correntes | Escalar dependente de | |
| Conjugado Total () | Torque eletromagnético desenvolvido sobre o eixo | Soma de termos de autoindutância e mútua | Depende das derivadas espaciais | |
| Conjugado de Relutância | Busca a posição de mínima relutância (máxima indutância) | Existe mesmo com apenas UMA bobina excitada | Varia com o dobro do ângulo elétrico () | |
| Conjugado de Alinhamento | Interação Lorentz entre os fluxos de estator e rotor | Exige corrente simultânea em AMBAS as bobinas | Varia com o ângulo elétrico direto () |
⚡ 3. Modelagem Matricial de Sistemas com Múltiplas Excitações
Considere um sistema eletromecânico rotativo dotado de enrolamentos independentes com terminais elétricos acessíveis, imersos em um circuito magnético compartilhado onde a permeabilidade magnética é considerada constante (sistema linear sem saturação).
Equações de Enlace de Fluxo e Matriz de Indutâncias
Cada enrolamento é atravessado por um fluxo magnético resultante da soma do autofluxo gerado por sua própria corrente e dos fluxos mútuos induzidos pelas correntes que circulam nos demais enrolamentos:
Em formato matricial compacto:
Onde:
- Os elementos da diagonal principal são as autoindutâncias de cada bobina;
- Os elementos fora da diagonal () são as indutâncias mútuas entre as bobinas e ;
- Pelo teorema da reciprocidade e pela natureza conservativa do campo magnético, a matriz é estritamente simétrica:
Expressão Matricial da Coenergia Magnética
A coenergia magnética diferencial para terminais elétricos e uma coordenada mecânica rotativa é expressa por:
Integrando a coenergia de até mantendo a posição angular fixa ():
Como é constante durante a integração em corrente, a integral de uma forma linear resulta na forma quadrática bilinear clássica:
Para o caso fundamental de duas excitações (bobina 1 no estator e bobina 2 no rotor):
Expandindo a forma quadrática:
🖼️ Representação Gráfica: Matriz de Indutâncias e Componentes do Conjugado
A figura técnica a seguir ilustra a arquitetura com duas bobinas, a variação angular das indutâncias em polos salientes e as curvas do conjugado resultante:
📐 4. Decomposição Rigorosa do Conjugado Eletromagnético
Aplicando o princípio dos trabalhos virtuais pela derivada parcial da coenergia em relação ao ângulo mantendo todas as correntes constantes ():
Para o sistema com estator e rotor de duas bobinas:
Esta equação é um dos pilares mais fundamentais de toda a teoria de conversão eletromecânica e máquinas elétricas. Cada um dos três termos possui uma identidade física perfeitamente diferenciável:
1. Conjugado de Relutância do Estator:
- Causa Física: Variação da relutância vista pelo enrolamento do estator à medida que o rotor gira. Isso ocorre quando o rotor possui polos salientes (geometria não-cilíndrica com protuberâncias de ferro).
- Independência: Ocorre mesmo se a bobina do rotor estiver em circuito aberto (). Basta excitar a bobina 1 para que o rotor sinta um conjugado mecânico puxando-o para a posição onde é máxima.
- Sinal: Como , o sinal do conjugado depende unicamente do gradiente .
2. Conjugado de Relutância do Rotor:
- Causa Física: Variação da relutância vista pelo enrolamento do rotor à medida que ele gira em relação a um estator com polos salientes.
- Independência: Ocorre mesmo se a bobina do estator estiver desligada (), desde que circule corrente na bobina do rotor.
3. Conjugado de Alinhamento Mútuo (Eletrodinâmico):
- Causa Física: Tendência de alinhamento entre as duas linhas de campo magnético geradas independentemente pelas correntes e . Corresponde à força de Lorentz entre os condutores do rotor e o campo do estator.
- Interdependência: Requer obrigatoriamente que ambas as correntes existam simultaneamente ( e ).
- Presença em Rotor Liso: É o único conjugado presente em máquinas elétricas onde o estator e o rotor são ambos cilindros lisos uniformes, pois nesse caso as autoindutâncias são estritamente constantes ( e ).
Rotor Elíptico, Espira Elementar de Lorentz e Estabilidade de Pontos de Equilíbrio
Conforme desenvolvido no Capítulo 4 da disciplina TE323 (UFPR) e na Coletânea de Problemas Resolvidos (TE146), a análise de conversores rotativos elementares integra três formulações complementares:
1. Rotor Elíptico (Dupla Saliência / Relutância Variável com )
Quando um rotor ferromagnético de seção elíptica (ou de dois polos salientes simétricos) gira no interior de um estator bi-excitado, a permeância do entreferro repete-se a cada meia revolução mecânica (). Assim, o segundo harmônico espacial domina a série de Fourier das autoindutâncias: Derivando em relação a , o conjugado eletromagnético instantâneo de uma máquina duplamente excitada com rotor elíptico vale: Nota-se que os termos de relutância possuem período de e independem do sentido das correntes, ao passo que o termo eletrodinâmico possui período de e inverte de sentido se uma das correntes for invertida.
2. Conjugado de Giro em Bobina Elementar (Lei de Lorentz / Regra de Fleming) e Gerador Elementar CA
Para uma bobina plana de espiras de área percorrida por corrente e imersa num campo magnético uniforme de densidade :
- Força sobre cada condutor ativo (Regra da Mão Esquerda de Fleming — Ação Motriz):
- Conjugado Total sobre a Bobina de Espiras: Sendo o ângulo entre a normal ao plano da espira e as linhas de indução , o braço de alavanca efetivo é , resultando em: (Máximo quando o campo é paralelo ao plano da bobina, , e nulo quando perpendicular, ).
- Operação como Gerador Elementar (Lei de Faraday): Girando a bobina com velocidade angular constante , o fluxo concatenado varia como , induzindo a força eletromotriz senoidal e seu respectivo valor eficaz:
3. Equilíbrio Dinâmico e Critério de Estabilidade Mecânica
Pela Segunda Lei de Newton para rotação (), os pontos de equilíbrio estacionário () ocorrem quando o conjugado eletromagnético iguala o conjugado resistente externo (). Todavia, um ponto de equilíbrio só é fisicamente estável se uma pequena perturbação angular gerar um conjugado acelerador restaurador de sinal oposto a : Nos limites de estabilidade estática (, tipicamente para alinhamento mútuo ou para relutância pura), a máquina atinge seu conjugado máximo de pull-out; além desse ângulo, e o rotor perde o sincronismo.
🔄 5. Condição Fundamental para Conjugado Médio Não-Nulo
Para que uma máquina rotativa opere continuamente como motor ou gerador fornecendo potência mecânica útil a um eixo, o valor médio no tempo do conjugado eletromagnético () deve ser diferente de zero:
Se o conjugado médio for zero, a máquina apenas vibrará em torno da posição de equilíbrio sem produzir rotação sustentada.
Modelagem Analítica com Excitações Harmônicas
Considere uma máquina elementar de rotor cilíndrico liso (, ) onde a indutância mútua varia senoidalmente com a posição angular mecânica :
Onde é o número de pares de polos magnéticos da máquina. A derivada espacial da mútua é:
O rotor gira com velocidade angular mecânica constante e ângulo inicial :
Alimentam-se os enrolamentos com correntes alternadas de frequências angulares e :
O conjugado instantâneo é:
Aplicação das Identidades Trigonométricas de Euler
Utilizando a identidade :
Multiplicando agora pelo termo e aplicando , obtém-se uma soma de quatro ondas senoidais puras:
Dedução da Condição de Ressonância (Sincronismo)
Como o valor médio temporal de qualquer senoide oscilante pura em um período é identicamente zero:
A única forma de o conjugado médio ser diferente de zero é se o coeficiente angular do tempo dentro de um dos senos for estritamente nulo (). Isso congela a oscilação temporal em uma componente contínua constante!
As quatro condições de velocidade angular mecânica que tornam um dos argumentos nulo são:
Casos Particulares de Máquinas Reais
- Máquina Síncrona Clássica:
- O enrolamento do rotor é excitado por corrente contínua ();
- O estator é alimentado pela rede elétrica em ();
- A velocidade mecânica deve ser rigorosamente constante:
- Se o rotor girar em qualquer outra velocidade diferente de , o conjugado oscilará com média zero e o motor travará ou perderá o passo!
- Máquina de Indução:
- O estator opera em , mas as correntes do rotor são induzidas com frequência de escorregamento ;
- Como , a combinação satisfaz a condição de sincronismo interno em todas as velocidades de operação!
🏭 6. Estudo de Caso Prático e Exercícios Resolvidos TE323
6.1 Estudo de Caso: Gerador Síncrono de Polos Salientes
Modelagem do Rotor Saliente
Em hidrogeradores de grande porte (como os da Usina Hidrelétrica de Itaipu ou Belo Monte), o rotor opera a baixas rotações e possui polos salientes salientes construídos com chapas de aço laminado espessas.
Devido à assimetria polar, a relutância magnética vista pelas fases do estator varia fortemente com o dobro do ângulo elétrico. Para uma fase do estator e o enrolamento de campo no rotor:
Considere os seguintes parâmetros nominais de um polo do gerador:
- (indutância média de estator)
- (amplitude da variação por saliência polar)
- (indutância mútua máxima entre campo e armadura)
- Corrente contínua de excitação no rotor:
- Corrente alternada na fase do estator: com
- Posição angular síncrona: , onde é o ângulo de carga mecânico.
Cálculo da Força Eletromotriz e Derivadas das Indutâncias
- Derivada da autoindutância do estator:
- Derivada da mútua:
Expressão do Conjugado Instantâneo
Substituindo na equação geral de decomposição do conjugado:
Dedução do Conjugado Médio Permanente
- Parcela de Alinhamento Mútuo (): Aplicando : A média temporal de é zero. Resta o termo constante :
- Parcela de Relutância (): A média do produto resulta em :
O conjugado médio permanente resultante é:
Substituição Numérica
- Parcela de Excitação Mútua:
- Parcela de Relutância:
O conjugado médio total como função do ângulo de carga é:
Relevância da Parcela de Relutância no SEP
Em geradores de polos salientes, o conjugado de relutância representa entre e da capacidade total de torque da máquina. Se a excitação de corrente contínua for perdida acidentalmente (), a máquina não perde imediatamente o sincronismo em cargas leves, mantendo-se acoplada à rede exclusivamente pela componente de relutância até a atuação da proteção de perda de campo (Função 40).
6.2 Exercícios Resolvidos de Provas e Coletânea (UFPR — TE323 / TE146)
Exercício Resolvido 1 — Conversor Eletromecânico Rotativo Elementar e Estabilidade dos Pontos de Equilíbrio (Coletânea TE146/TE323 - Problema 12)
Enunciado: Um conversor eletromecânico rotativo elementar é constituído por uma bobina no estator () e uma bobina no rotor (), cujos coeficientes de autoindução e indução mútua em função do ângulo entre os eixos magnéticos são:
- , e .
Sabendo que as bobinas são alimentadas pelas correntes contínuas e , determine: (a) A expressão da coenergia magnética e do conjugado eletromagnético ; (b) O conjugado eletromagnético máximo e o ângulo em que ocorre; (c) Os pontos de equilíbrio possíveis no intervalo quando um conjugado mecânico resistente externo é aplicado ao eixo, demonstrando analiticamente qual ponto é estável e qual é instável.
Solução Passo a Passo:
[Coenergia Magnética e Conjugado Eletromagnético]: Derivando em relação a mantendo as correntes constantes ():
[Conjugado Máximo]: O módulo máximo ocorre para (), valendo:
[Pontos de Equilíbrio e Análise de Estabilidade para ]: Pela equação dinâmica de rotação : No intervalo , existem duas soluções:
- Ponto A: ;
- Ponto B: . Avaliando a derivada restauradora :
- Em : Ponto A é ESTÁVEL (atua como uma mola torcional restauradora).
- Em : Ponto B é INSTÁVEL (qualquer perturbação expulsa o rotor dessa posição).
Exercício Resolvido 2 — Conjugado em Bobinas Retangulares/Circulares e Gerador Elementar (TE323 - Cap. 4, Exs. 2, 3 e 4)
Enunciado: Resolva os três problemas práticos do Capítulo 4 de Conversão de Energia I (TE323 - UFPR): (a) Uma bobina retangular de dimensões é constituída por e percorrida por uma corrente . Um campo magnético uniforme é aplicado paralelamente ao plano da bobina. Determine o módulo do conjugado que atua sobre a bobina. (b) Uma bobina circular de raio possui no plano XZ, conduzindo imersa num campo magnético uniforme paralelo à superfície da bobina (). Determine o conjugado sobre a bobina. (c) Uma espira quadrada () de dimensões gira sob a influência de um campo uniforme . Qual deve ser a frequência de rotação (em e ) para que apresente uma tensão eficaz induzida nos seus terminais?
Solução Passo a Passo:
[Item (a) — Bobina Retangular]: Como o campo é paralelo ao plano da bobina, a normal à face da espira forma um ângulo com (). Área da espira: .
[Item (b) — Bobina Circular]: Área da espira circular: . Com campo paralelo à superfície ():
[Item (c) — Frequência de Rotação do Gerador Elementar]: O fluxo máximo concatenado pela espira de área vale: Pela equação da FEM eficaz senoidal ():
📝 7. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados
Questão 01 — Petrobras / Cesgranrio — Engenheiro de Equipamentos Júnior — Elétrica
Considere uma máquina elétrica rotativa elementar com dois enrolamentos: um enrolamento no estator (bobina 1) e um enrolamento no rotor (bobina 2). Os enrolamentos são caracterizados pelas seguintes indutâncias em função da posição angular mecânica :
- (constante)
- (constante)
Ao alimentar o enrolamento 1 com uma corrente contínua e o enrolamento 2 com uma corrente contínua , o conjugado eletromagnético desenvolvido sobre o rotor quando , sendo , é igual a:
- (A)
- (B)
- (C)
- (D)
- (E)
Resolução Comentada da Questão 01
- Como as autoindutâncias do estator e do rotor são constantes ( e ), suas derivadas em relação a são nulas: Portanto, os conjugados de relutância do estator e do rotor são nulos.
- O conjugado eletromagnético provém exclusivamente da indutância mútua :
- Derivando em relação a :
- Substituindo os valores dados: Como :
O sinal negativo indica que o torque atua no sentido de diminuir o ângulo , atraindo o rotor para (posição de mútua indutância máxima).
Resolução Analítica Passo a Passo: B
Questão 02 — Eletrobras / CGT Eletrosul — Engenheiro Eletricista — FCC
Em uma máquina síncrona trifásica de polos salientes conectada a um barramento infinito com tensão terminal constante , a equação da potência ativa gerada por fase em função do ângulo de carga e das reatâncias síncronas de eixo direto () e eixo em quadratura () é expressa por:
A segunda parcela dessa equação decorre fisicamente de qual fenômeno?
- (A) Da circulação de correntes parasitas de Foucault nos enrolamentos amortecedores do rotor.
- (B) Do escorregamento entre o campo magnético girante do estator e a velocidade mecânica do rotor.
- (C) Da anisotropia magnética do rotor gerada pela saliência polar, que produz uma variação periódica da relutância magnética ao longo do entreferro (Potência de Relutância).
- (D) Da saturação do ferro nas cabeças de dente do estator operando em regime de sobreexcitação.
- (E) Da assimetria resistiva existente entre as fases do enrolamento de armadura.
Resolução Comentada da Questão 02
- A alternativa (C) é a CORRETA. Em máquinas de polos salientes, o caminho magnético ao longo do entreferro não é uniforme: no eixo direto () o entreferro é estreito (alta indutância , logo reatância elevada), enquanto no eixo em quadratura () o entreferro é amplo entre os polos (baixa indutância , logo ).
- Essa anisotropia espacial produz uma variação periódica da autoindutância do estator (). Ao interagir com as correntes de armadura, esse gradiente gera o torque de relutância, que se manifesta na equação de potência ativa com a dependência periódica .
- Se a máquina tivesse rotor cilíndrico liso (), o termo seria zero, anulando a potência de relutância.
Resolução Analítica Passo a Passo: C
Questão 03 — Marinha do Brasil — Engenheiro Eletricista — CP-CEM
Um transdutor eletromecânico possui dois enrolamentos de excitação cujas indutâncias em função da coordenada linear são dadas por:
Onde é a posição em metros (). Se os enrolamentos forem excitados simultaneamente com correntes contínuas e , a intensidade da força mecânica de origem magnética desenvolvida pelo sistema na posição é:
- (A)
- (B)
- (C)
- (D)
- (E)
Resolução Comentada da Questão 03
- A força mecânica linear em função da coenergia magnética a correntes constantes é:
- Calculando as derivadas espaciais das três indutâncias em relação a :
- Na posição , temos .
- Substituindo as correntes e :
A intensidade da força mecânica de atração desenvolvida pelo transdutor é de .
Resolução Analítica Passo a Passo: C
Questão 04 — UNESP — Engenheiro Eletricista — Vunesp
Deseja-se projetar um motor de passo de relutância variável (VRM) monofásico. O estator possui enrolamentos excitados por pulsos de corrente , e o rotor é inteiramente passivo, composto apenas por dentes de ferro silício sem nenhum ímã ou enrolamento (). O conjugado desenvolvido por esse motor depende exclusivamente:
- (A) Da interação entre a corrente do estator e a força contraeletromotriz gerada pela velocidade do rotor.
- (B) Da taxa de variação da autoindutância do estator em relação à posição angular do rotor ().
- (C) Da indutância mútua entre os dentes do rotor e os polos do estator.
- (D) Do escorregamento entre o campo elétrico e o campo térmico do entreferro.
- (E) Da corrente de dispersão que salta entre as ranhuras do estator.
Resolução Comentada da Questão 04
Como o rotor não possui enrolamentos () nem ímãs permanentes, os termos de indutância mútua e relutância rotórica anulam-se identicamente na equação geral do torque: Portanto, o torque é produzido exclusivamente pelo gradiente de relutância do estator em função da rotação dos dentes salientes do rotor. O sistema sempre desenvolve um torque que força o rotor a se posicionar no ponto de alinhamento com os polos do estator, minimizando a relutância do entreferro e maximizando a autoindutância .
Resolução Analítica Passo a Passo: B
Questão 05 — USP / FUVEST — Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Considere um sistema com duas bobinas no qual as correntes elétricas são e . A indutância mútua é dada por , e as autoindutâncias são constantes. O rotor gira a uma velocidade mecânica constante . Para quais valores de velocidade mecânica o sistema é capaz de produzir um conjugado médio não-nulo ()?
- (A) Exclusivamente para (máquina travada).
- (B) Apenas para .
- (C) Para .
- (D) Para qualquer velocidade .
- (E) Para .
Resolução Comentada da Questão 05
Conforme deduzido analiticamente na Seção 5 desta aula, o produto de correntes harmônicas multiplicado pela derivada senoidal se decompõe em quatro componentes harmônicas puras cujas frequências angulares são: Para que o conjugado médio no tempo seja não-nulo, uma dessas frequências deve ser estritamente zero, o que resulta nas quatro condições de velocidade angular:
Resolução Analítica Passo a Passo: C
📚 8. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas
- FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr., C.; UMANS, S. D. Máquinas Elétricas: com Introdução à Eletrônica de Potência. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2014.
- KRAUSE, Paul C.; WASYNCZUK, Oleg; PEKAREK, Scott D. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems. 3. ed. Piscataway: IEEE Press / Wiley, 2013.
- CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de Máquinas Elétricas. 5. ed. Porto Alegre: AMGH / McGraw-Hill, 2013.
- KUNDUR, Prabha. Power System Stability and Control. New York: McGraw-Hill, 1994.
- DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 1999.
- IEEE Std 115-2019. IEEE Guide for Test Procedures for Synchronous Machines. IEEE Power and Energy Society, New York.
Documento homologado conforme o Padrão Ouro de Engenharia Acadêmica — Retornar ao MOC da Disciplina.