Fabio soares marcelo carvalho da rosa renato zelak agottani



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INTRODUÇÃO

1.1 TEMA DE PESQUISA




1.1.1Aspectos Gerais


Em caso de operação errada dos aparelhos elétricos, geralmente o resultado é visível por queda de sistemas, perda total ou parcial de máquinas elétricas, ou até mesmo explosões que colocam em risco a vida do usuário. Porém, não é perceptível o que ocorre com as grandezas eletromagnéticas, sabem-se as causas e os efeitos sem analisar aspectos intrínsecos, como correntes, tensões e fluxos magnéticos.




1.1.2Aspectos Específicos


Pretende-se analisar o comportamento das grandezas eletromagnéticas (tensões, correntes, fluxos magnéticos) em um motor trifásico 3 cv, 4 pólos, 220 V, ao se aplicar uma fonte de tensão monofásica advinda de um transformador monofásico com o secundário com “center tap”.




1.2PREMISSAS E PROBLEMA DE PESQUISA


Este trabalho irá complementar um estudo já feito em 2010, realizado pelos alunos Diego da Silva de Paula e Natalia Janaina Candido, onde foi descrito o nível de tensão a que chegou um transformador durante seu uso incorreto, caso acidental que ocorreu no laboratório de máquinas e transformadores da UTFPR, em que houve uma ruptura do enrolamento de alta tensão do equipamento, chegando a 31 kV. O fato ocorreu devido a uma alimentação trifásica de 220 V na baixa tensão de um transformador monofásico com tensões nominais de 254/127 V.

Dando continuidade ao trabalho anterior, agora será estudado o comportamento de um motor submetido a uma situação análoga, em que a máquina trifásica será alimentada por uma rede monofásica. Caso que ocorre com certa freqüência na área rural.

A dificuldade em desenvolver esse estudo está na obtenção dos dados por cálculos. Não se pode realizar o experimento fisicamente, de modo que não dispomos de equipamentos para danificar. Sendo assim, utilizaremos programas computacionais para simular os resultados e realizar os devidos cálculos.




1.3OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral


O objetivo geral deste trabalho é analisar, através de software, o comportamento das grandezas eletromagnéticas de um motor trifásico, 3 cv; 4 pólos; 220 V, quando ligado de forma errônea a um transformador monofásico 254/127 V.




1.3.2 Objetivos Específicos


Este trabalho deverá atender aos seguintes objetivos específicos, para cumprimento de seu objetivo geral:


pesquisa específica sobre eletromagnetismo;

pesquisa sobre motores trifásicos, com ênfase nos motores assíncronos;

pesquisa sobre o funcionamento dos motores monofásicos;

pesquisar funcionalidades do simulador computacional (EFCAD) a ser utilizado nos experimentos.


1.4JUSTIFICATIVA

Com certa freqüência ocorre na área rural, principalmente por falta de conhecimento, a ligação errônea de motores trifásicos, ocasionando a queima do mesmo. Pretende-se, com o presente estudo, uma análise das grandezas eletromagnéticas (corrente nas fases, nos enrolamentos e o comportamento do fluxo magnético no núcleo) quando o motor estudado é usado indevidamente.

Os dados coletados na pesquisa poderão auxiliar estudos futuros com o objetivo de especificar proteções para os motores, quando, inadvertidamente, esses sejam ligados de forma incorreta, danificando-os.


1.5METODOLOGIA DA PESQUISA


Este trabalho terá início com o estudo dos fundamentos teóricos de eletromagnetismo e conceitos gerais sobre transformadores e motores, especificamente motores trifásicos, buscando bibliografias que atendam as necessidades para o desenvolvimento de cálculos e obtenção do conhecimento teórico.

Finalizada a primeira parte, serão realizadas em uma segunda etapa as simulações dos casos relevantes ao trabalho. Essas atividades terão início com a simulação de um motor alimentado corretamente, apresentando dados normais de seu funcionamento. Em seguida o motor será alimentado de forma errônea e os mesmos dados coletados anteriormente serão armazenados para analise.

Por fim, será feita uma análise comparativa dos resultados obtidos com os dois casos, para poder certificar-se em quais valores de torque, corrente, tensão e fluxo magnético o motor ficará submetido.



1.6ESTRUTURA DO TRABALHO


Os capítulos iniciais tratam cada um dos temas envolvidos como um assunto específico focado nos objetivos deste trabalho. Nos capítulos finais é explicitada a relação entre os diversos temas abordados e o modo como esse relacionamento é implementado, para cumprir os objetivos deste projeto. Sendo assim, excluindo-se o presente Capítulo, os demais possuem os conteúdos a seguir.

Inicialmente o capítulo 2 apresentará alguns conceitos básicos sobre o software a ser usado (EFCAD).

No capitulo 3, serão mostradas as partes teóricas, conceitos fundamentais e desenvolvimento de cálculos referentes ao transformador.

O capítulo 4 apresentará o desenvolvimento teórico sobre motores trifásicos, bem como cálculos necessários para o desenvolvimento do projeto.

No capítulo 5 será demonstrado as etapas necessárias para utilização do software EFCAD, tais como desenho do motor e detalhes de projeto.

O capítulo 6 apresentará a análise dos resultados com o motor alimentado corretamente e erroneamente, com curvas, gráficos e todas as tabelas que foram resultado das simulações.

Por fim, o capítulo 7 encerrará o trabalho apresentando as conclusões dos resultados alcançados, bem como os desdobramentos que podem culminar com trabalhos futuros em temas correlatos.


PROGRAMA COMPUTACIONAL EFCAD


O EFCAD é uma ferramenta computacional desenvolvida para resolver equações diferenciais em 2D, muito aplicado em fenômenos térmicos ou eletromagnéticos. Ultimamente, muitas modificações e ampliações foram feitas no EFCAD, desde a sua criação em 1986, a fim de melhorar seu desempenho e adicionar mais opções para o usuário.

O método dos elementos finitos (MEF) possui diversas aplicações nas ciências, seja em problemas de mecânica, eletromagnetismo ou em outras áreas. Este método baseia-se em uma discretização da estrutura a ser analisada, dividindo-a em pequenas parcelas denominadas elementos finitos. Nestes elementos as equações matemáticas que descrevem o fenômeno a ser analisado trabalham de forma pontual, o que facilita a sua resolução matemática. (BASTOS, 2004)

Neste trabalho, o MEF será utilizado para verificar o comportamento dos campos eletromagnéticos no núcleo do motor trifásico que está sendo estudado. As simulações serão realizadas utilizando o software EFCV, módulo de cálculo do EFCAD com domínios contendo partes móveis à velocidade constante e materiais condutores para apreciação de correntes de Focault, desenvolvido pela GRUCAD da Universidade Federal de Santa Catarina, com uma versão disponível para download no site www.grucad.ufsc.br. A versão utilizada será a versão completa, pois permite cálculos de campos eletromagnéticos em domínios com mais de 600 pontos.

O EFCAD é uma ferramenta computacional separada basicamente em 4 partes: um programa para entrada de dados, o EFD; um outro programa para a geração da malha de elementos finitos conjuntamente com a definição das características físicas e condições de contorno do domínio em análise, o EFM; outro programa para o cálculo do potencial vetor magnético, em todos os nós da malha de elementos finitos, o EFCV; e finalmente um programa para apresentar as informações de indução, campo e densidade de fluxo magnéticos, o EFGN. Existem outras ferramentas de cálculo como o EFCS, EFCT, EFCJ, utilizadas em outras aplicações. Para finalidade do caso em estudo, a ferramenta mais utilizada será o EFGN (BASTOS, 2004).

1.6.1EFD – Desenho do Domínio


Este programa é responsável pela elaboração da estrutura. Ela tem sido objeto de muitas alterações e ampliações, a fim de preencher as diferentes necessidades dos usuários. O EFD cria um arquivo que contém a descrição da geometria do domínio.

O EFD é responsável também por exibir o desenho no monitor. As linhas, arcos, pontos, e o centro de círculos são exibidos em cores diferentes.

O programa EFD salva os dados do desenho para o disco que está sendo digitado. Por causa disso, se o programa for interrompido a qualquer momento, praticamente todos os dados inseridos antes do incidente serão guardados no arquivo correspondente.

A maioria das opções do programa é exibida no menu "barra no topo da tela”. Eles são auto-explicativos e fáceis de usar.


1.6.2EFM – Definição das Características Físicas


O programa EFM tem sido objeto de muitas melhorias nos últimos anos. Algumas são internas para ajustar, corrigir e melhorar os algoritmos e procedimentos. Outras estão relacionadas a novas funcionalidades e possibilidades. Agora, o usuário pode escolher uma dos três métodos. O primeiro, com base em três operações (encerramento ângulos agudos, eliminando concavidades e usando distâncias entre nós do polígono para a criação de novos nós); já o segundo, cria novos nós gerando os elementos pelo método de Delaunay, e foi desenvolvido no GRUCAD. O terceiro é um programa chamado "Triângulo" desenvolvido pela Richard Shewchuk, e está disponível como um programa de domínio público (BASTOS, 2004).

O programa EFM é chamado automaticamente para gerar as malhas em diferentes regiões. O usuário fornece o nome do arquivo onde está o problema e os painéis serão armazenados. Portanto, se um problema ocorre durante o tratamento do caso, os dados inseridos são mantidos no arquivo, e o usuário pode reiniciar o EFM sem perder os dados digitados anteriormente. Este programa também pode criar elementos quadriláteros, sempre que uma região retangular for detectada. O programa é dividido em três etapas principais:

- leitura do arquivo de desenho, incluindo a opção de fazer modificações para o desenho;

- definição de materiais, fontes e condições de contorno no caso de concreto;
- geração automática de malha.

Após ter sido dado um nome ao arquivo, o desenho da estrutura é exibida no monitor. O usuário agora é capaz de realizar modificações no desenho, usando os comandos do menu.

No entanto, existe um comando específico para EFM que é exibido no menu como "Qualquer". Esta opção está relacionada com os arcos e círculos. Estes são transformados em seguimentos de retas após a divisão dos arcos pelo EFM. Se o número de divisões não corresponder às necessidades específicas do usuário, o usuário pode clicar com o mouse sobre esta opção e em seguida, clique em um dos pontos do arco.

Quando o desenho está pronto, o usuário pode clicar em "Exit". O programa perguntará se o usuário quer armazenar a modificação realizada no desenho em outro arquivo. Se a resposta for positiva, o nome do novo arquivo é exigido. Este nome de arquivo pode ser o nome do arquivo original; nesse caso, o desenho antigo será substituído. Quando essa parte estiver concluída, o EFM encontra automaticamente as regiões adicionadas e formará todo o domínio (BASTOS, 2004).




1.6.3EFCV


O EFCV é utilizado para resolver o cálculo de vetores potenciais, aplicações em que não estão realizando movimentação de materiais e com velocidade constante, como os vetores magnéticos. As correntes de Foucault são calculadas a partir do produto entre os vetores (velocidade) e (indução magnética).




1.6.4EFGN – Gráfico Numérico


EFGN é responsável por gerar os resultados e apresentar graficamente ou numericamente, como informações de campo magnético, de indução magnética, forças, linhas de campo e linhas equipotenciais.

Depois de digitar o nome do arquivo, o EFGN apresenta o fator de escala utilizado, o número de nós, número de elementos, o tipo de problema (relacionado com a resolução correspondente), o tipo de geometria, a condição de linearidade (linear ou não linear) e tipo de potencial utilizado.

Para soluções eletromagnéticas, existem três casos distintos:

a) uma fonte de corrente e de potencial é usada como variável;

b) não há origem, e um vetor é usado;

c) não existe nenhuma fonte, e um potencial escalar é usado.

Quando o EFGN não detecta nenhuma fonte, ele pergunta se o problema é eletrostático ou magnético para que ele possa continuar com o cálculo correto das quantidades e unidades adequadas.

Se houver elementos finitos, o EFGN converte-os em triângulos, para inserção de novos nós no baricentro dos elementos. Uma mensagem de "malha expandida" dá o novo número de nós e elementos, utilizado exclusivamente para o pós-processamento.
Se os elementos de segunda ordem são usados, o EFGN cria nós no meio das bordas, e, embora o desenho empregue procedimentos lineares, todo o tratamento numérico é feito com elementos reais de segunda ordem, ou, em outras palavras, os resultados serão apresentados com uma precisa exatidão (BASTOS, 2004).

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