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As mquinas eltricas do Sculo XIXO ovo ou a galinha? A teoria ou a prtica?As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

As mquinas eltricas do sculo XIX

Porque fazer arqueologia tcnica?

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Clovis Goldemberg

A prtica muitas vezes precedou a teoria. Na medida em que houve muita tentativa e erro, senso prtico foi fundamental. A teoria ajudou, muitas vezes a posteriori. No vou seguir uma ordem cronolgica rigorosa! No vou apenas gloricar Faraday e Maxwell pois, como dito acima, os engenheiros empricos (e alguns que nem engenheiros eram) tiveram um papel fundamental!

Depto. de Energia e Automao Eltricas Escola Politcnica da USP

Setembro/2006

Disco de AragoAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Disco de Arago1825

1824-25

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo

quando se gira o disco de cobre a agulha imantada se desvia da posio de equilbrio; quando mais rpido girar o disco de cobre maior ser o deslocamento da agulha imantada;

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sabia-se (Gambey, Paris/1824) que a agulha de uma bssola, quando deslocada do seu ponto de equilbrio, oscila sobre seu piv at se estabilizar. Se o fundo da caixa fr feito de cobre este amortecimento ser mais rpido.

Arago fez um relato Academia de Cincias, Paris, 22/Novembro/1824. Deslocava o ponteiro de 45 e contava o nmero de oscilaes at que estas cassem inferiores a 10 . Numa caixa de madeira eram 145 oscilaes. Numa caixa de cobre no eram 66 e numa caixa de cobre grosso apenas 33.

quando a rotao aumenta ao ponto de fazer a agulha se desviar de 90 graus, esta passa a girar continuamente;

O perodo das oscilaes no se alterava. Apenas sua amplitude.

S existia fora quando havia movimento relativo entre a agulha e a massa de cobre, que ele denominou magnetismo de rotao.

Poisson elaborou a idia era a de todos os corpos adquirem uma magnetizao temporria na presena do im. Na presena do cobre, este magnetismo demoraria para desaparecer. Arago discordava, insistindo na idia de um magnetismo de rotao.

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Disco de AragoA interpretao de Faraday/1831As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Babbage e Herschel/Inglaterra 1825

repetiram a experincia original de Arago medindo a fora exercida sobre a agulha. Esta fora depende do material utilizado no disco. Por ordem decrescente: prata, cobre, ouro e zinco, mercrio e bismuto (muito inferiores); um movimento relativo entre um im e um disco de cobre induz correntes eltricas (correntes parasitas) neste disco; estas correntes reagem sobre o im tentando diminuir a velocidade relativa entre ambos; estas foras agem no sentido oposto ao movimento do im; as eventuais fendas no disco limitam a circulao destas correntes parasitas.

conseguiram inverter o fenmeno, fazendo o disco girar sob a ao do im;

Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

experimentaram discos de cobre com vrios tipos de fendas radiais, notando que a fora sobre o disco diminua.

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Disco de AragoDando nome aos bois . . . ou este mundo injusto

Qual o sentido das correntes eltricas induzidas?

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday

vrios cientistas tentaram responder esta pergunta (Faraday, Sturgeon, Hertz, Mateucci);

Porque as correntes parasitas vieram a ser chamadas de Correntes de Foucault? Foucault mostrou mais tarde que as correntes induzidas eram capazes de esquentar o disco metlico; Se o mundo fosse justo . . . tais correntes deveriam se chamar de correntes de Faraday ou correntes de Arago.

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na montagem de Faraday (esquerda) um cubo de cobre slido girava rapidamente com o eletroim desligado. Ao energizar este eletroim o cubo parava instantaneamente e depois recomeava a girar numa velocidade bem menor;

na montagem de Mateucci (direita) este cubo era composto de lminas isoladas entre si. Se o cubo estivesse suspenso pelo gancho A nada acontecia enquanto que ao suspender o cubo pelo gancho B o comportamento descrito por Faraday se repetia;

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FaradayA mesma montagem de Faraday, na forma descrita por Saxton em 1832 A descrio continua sendo dada a partir do dirio de Faraday.

Ilustrao e trecho de seu dirio, 28/Outubro/1831:

Como extrair parte da corrente interna (hidden current)? Duas tentativas adicionais foram feitas com a inteno de produzir uma mquina magneto-eltrica: experimentou discos de cobre de diferentes dimetros e discos de ferro, sem sucesso. Esta foi a primeira meno s mquinas magneto-eltricas. Faraday s teve sucesso em produzir corrente em 8/Fevereiro/1832 mas o relato ocial de Maio/1832

. . . eu nunca fui capaz de produzir qualquer sensao na minha lingua quando interligava os os conectados na extremidade do disco giratrio com minha lngua . . . Tambm no fui capaz de esquentar um o no de platina, produzir uma fasca, convulsionar as patas de uma r. Tampouco consegui produzir nenhum efeito qumico associado eletricidade.

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Mquinas DC elementaresMotor desenvolvido por Joseph Henry/EUA em 1831

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Uma reconstruo moderna (VRML) do disco de Faraday, feita pela UFRJ/Brasil.

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Mquinas DC elementaresMquina de Pixii (tcnico francs), apresentada em 3/Setembro/1832, que inclui um comutador mecnico que retica a tenso AC gerada. Disponvel comercialmente com ims de 4 diferentes intensidades.

Prottipo da mquina de Pixii (tcnico francs)/1832

A notcia de que seria possvel produzir fascas a partir do dispositivo de Faraday foi mencionada em Dezembro/1831 em Paris, dando origem a uma srie de experincias, dentre as quais um gerador AC desenvolvido por Pixii.

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Mquinas DC elementaresCharles Grafton Page, fsico americano, 1837. Motor DC.

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Clarke, tcnico irlands residente em Londres, 1835. Esta mquina tomou como base os dispositivos de Pixii.

o campo podia ser feito com ims permanentes (como mostra a gura) ou com eletroims

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existe um comutador de dois segmentos logo acima do enrolamento de armadura

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Mquinas DC elementaresThomas Davenport/EUA, 1837. Motor DC srie.As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Charles Grafton Page, fsico americano, 1842. Gerador DC.

Ferreiro sem instruo formal alguma que se interessou por eletromagnetismo em 1833;

O objetivo era conseguir transformar o movimento linear descontnuo num movimento rotativo contnuo, objetivo alcanado em 1834 com um prottipo de 1/50 CV. Solicitou uma patente em 1835 mas . . . o Depto. de Patentes pegou fogo, destruindo o prottipo e a documentao; Retomou seu pedido de patente que foi concedido em 1837; Morreu na misria em 1851.

Steinmetz versus Maxwell Concluses

Fascinado pela capacidade de um eletroim de 3 libras ser capaz de erguer uma massa 150 libras trocou a carruagem, cavalo e mercadorias (do irmo) por este eletroim. Construiu um segundo eletroim, mais possante, usando o vestido de seda da esposa como isolante.

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Motores de relutnciaBourbrouze/Frana - Data indeterminada

Charles Grafton Page/EUA - 1844

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inspirado nas mquinas a vapor, com 2 pistes o prprio virabrequim (lado direito) aciona o sistema de ignio (o comutador) das bobinas

Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

o comutador, que corresponde ao sistema de ignio das bobinas, no aperece de forma clara na gura

os pistes so acionados alternadamente

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Mquinas dnamo-eltricasA denominao de mquinas dnamo-eltricas (ou de forma abreviada dnamo) abrange um enorme nmero de mquinas desenvolvidas ao longo do sculo XIX. Wheatstone, Inglaterra, 1845.

Allan/Inglaterra - 1852 - An engine should look like an engine

motor de 4 cilindros

grupos de 3 eletroims atuando em conjunto

virabrequim na parte superior

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Mquinas dnamo-eltricasMquina de Gramme, Frana, 1871. O uxo produzido por chapas de ferro prviamente magnetizadas, sendo capaz de produzir at 2 Volts. A idia de usar um eletroim (um enrolamento de campo) foi apresentada em 1872.


Pacinotti, Itlia, 1860. Aparentemente j se sabia que poderia funcionar tanto como motor quanto gerador. Ou seja, as baterias no eram mais a nica fonte de energia disponvel!

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Mquinas dnamo-eltricasSiemens & Halske, Alemanha, 1872. A mquina de 2 polos excitada por 4 bobinas de campo. O circuito ferromagntico no-laminado.

Gramme/Frana, 1871. Mquina do tipo A fabricada comercialmente.


Mquinas dnamo-eltricasGramme/Frana, 1885. Mquina de 4 polos.

Werner Von Siemens - 1813/1891


1847 - Inventou um mtodo para isolar condutores eltricos usando gutta-percha (latex)

1847 - Fundou a empresa Siemens & Halske, que fabricava equipamentos telegrcos

1866 - Primeiros trabalhos com dnamos

1867 - Escreveu um tratado sobre A converso de potncia mecnica em corrente eltrica sem o uso de ims permanentes

1881 - Defende o estabelecimento de cursos de engenharia eltrica


Mquinas dnamo-eltricasEdison/EUA, 1888. Este modelo utiliza colunas mais curtas e mais grossas. Na exposio de Paris em 1889 existiam dnamos similares de 2.5 kW com 38 cm de altura. Tambm foi apresentado um dnamo de 150 kW, com 2.60 m de altura, pesando 12700 kg.

Edison/EUA, 1881. Modelo Z, para acionamento de 60 lmpadas (aproximadamente 2 kW), cujo rendimento era de 58.7 %. O campo era feito em colunas longas e nas.


Mquinas dnamo-eltricasBrown, Alemanha, 1889. Esta mquina de 4 polos foi apresentada na Exposio de Paris em 1889. Sua potncia era 170 kW e tinha quase 2 metros de altura, pesando 15700 kg.


Kapp, Alemanha, 1888-89 ?. Mquina de 6 polos com potncia de 60 kW. Um modelo de 8 polos, com potncia de 134 kW foi apresentado na Exposio de Paris em 1889.


Mquinas dnamo-eltricasAnlise da reao de armadura Machines Dynamo-lectriques Silvanus Thompson, 1894

Enrolamentos de armadura - Anel ou tambor? Enrolamentos alojados na superfcie ou em ranhuras?


Mquinas dnamo-eltricasControle de velocidade, 1896

Problemas tecnolgicos ao nal do sculo XIX:


nmero de polos

tipo de excitao (srie, shunt, compound)

tenso, corrente e potncia nominal

contruo do enrolamento de armadura

circuito laminado/macio

comutador

ecincia

refrigerao

fascamento do comutador (no existe interpolo)

posicionamento das escovas

volume e peso

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Faa-se a luz . . .Thomas Edison e a lmpada incandescenteAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Nova York iluminada por lmpadas a arco da Brush Electric Company

O uso de lmpadas a arco (demonstradas em 1808 por Sir Humphrey Davy na Royal Society) para iluminao pblica j era freqente entre 1870 e 1880, sendo alimentadas por geradores DC. Os inconvenientes eram o brilho excessivo (a indivisibilidade da luz), fumaa e necessidade de substituir os eletrodos de carvo.

Thomas Edison percebeu que no era suciente inventar uma lmpada eltrica incandescente. Concebeu um sistema completo de gerao e distribuio de energia e luz eltrica, imitando o que as companhias de iluminao pblica a gs j faziam.

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Faa-se a luz . . .Um sistema completo de gerao/transmisso e distribuio de energia

A estao de Pearl Street - Setembro, 1882


Foi instalada perto de Wall Street, dos jornais americanos e perto dos escritrios da J.P.Morgan (nanciadores de Edison). Seu sucesso deu origem a muitas instalaes similares na dcada de 1880. O alcance era de at 2 a 3 km.

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Faa-se a luz . . .O Imprio da Cincia e o ImperadorAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Educando os usurios

Em 1881, quando se realizou a primeira visita de D. Pedro II a Ouro Preto, a Escola de Minas j estava aparelhada para a realizao de impressionantes experincias de iluminao eltrica e Gorceix (o Diretor da Escola) aproveitou a oportunidade para elevar o nome da nobre Escola, mostrando ao seu criador uma das maiores maravilhas do sculo . . . . . . relatos da poca indicam que naquela ocasio o Diretor da Escola solicitou o emprstimo de presos da cadeia local para acionar os dnamos. O Brasil inova, desenvolvendo a primeira usina PresoEltrica!

TransformadoresAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

TransformadoresTransformadores de Gaulard/Gibbs/Ganz

O transformador original de Faraday - 1831

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operava atravs da comutao mecnica de uma fonte DC;

durante dcadas a nica aplicao foi criar arcos eltricos;

existia uma competio virtual para ver quem conseguia produzir arcos eltricos mais longos, alcanando 1070mm em 1876 e 1500mm em 1900;

as relaes num transformador ideal no eram conhecidas;

tampouco eram conhecidas as relaes existentes num transformador real, com alta disperso e perdas elevadas no circuito ferromagntico;

Ncleo aberto Gaulard/Gibbs 1881-1884

Ncleo toroidal fechado Gaulard/Gibbs 1886

Ncleo toroidal Ganz Cia. 1885 Gaulard tentou processar Ganz Cia., sem sucesso. Em conseqncia acabou cando louco (dizia que era Deus) e morreu internado num hospcio em 1888.

Steinmetz versus Maxwell Concluses

Corrente alternadaAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

TransformadoresWilliam Stanley, descrevendo o incio da dcada de 1880, particularmente o perodo ps-1884, quando comeou a trabalhar na Westinghouse com corrente alternada:

George Westinghouse

s cursou 3 meses na faculdade, que abandonou aos 19 anos quando obteve sua primeira patente relacionada com mquinas a vapor

inventou o freio a ar comprimido, dando origem Westinghouse Air Brake Company em 1869

antevendo um potencial na rea eltrica fundou a Westinghouse Electric Company em 1884

em 1888 obteve os direitos para o uso de corrente alternada e motores de induo

difcil para os engenheiros do presente avaliarem as condies daquela poca. Lembrem-se de que existiam poucos livros de engenharia eltrica, no existiam frmulas matemticas, exceto aquelas escondidas nos papers cientcos, no havia nomenclatura e no havia praticamente informao alguma sobre os fenmenos de corrente alternada. Todas as mquinas AC existentes at aquela poca, com exceo do alternador Siemens, falhavam por uma razo ou outra. Uma opinio corrente era de que no existia nada de valor no campo da corrente alternada. Mr. Westinghouse hesitou em me fornecer o dinheiro para que eu pudesse testar minhas idias. Como eu no tinha capital vendi a Mr. Westinghouse metade das minhas cotas, recebendo dinheiro com o qual seria capaz de realizar o trabalho experimental em benefcio da companhia.

em 1900 suas empresas valiam US$120 milhes e empregavam 50 mil trabalhadores em 9 fbricas situadas nos EUA, 5 na Europa e 1 no Canad

TransformadoresAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

TransformadoresStanley/Westinghouse (continuao)

Transformador desenvolvido por Stanley (Westinghouse) em 1886

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o transformador toroidal de Gaulard/Gibbs foi modicado para que pudesse ser fabricado de forma simples e barata; adotou-se chapas estampadas na forma de um E-I, utilizada at hoje; adotou-se o uso de bobinas pr-formadas; mergulhou-se o transformador em leo, num tanque hermeticamente selado;

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Os transformadores de Gaulard/Gibbs em 1881 eram denominados de geradores secundrios. Westinghouse adquiriu vrios em 1885 e o direito de fabric-los em 1886. No sistema de Gaulard/Gibbs os primrios dos transformadores eram colocados em srie, o que prejudicava a regulao de tenso. Stanley colocou os primrios em paralelo e aprimorou o projeto dos transformadores, diminuindo a disperso.

o funcionamento comercial teve inicio em Maro de 1886 (Great Barrington) numa linha de 1 milha, elevando-se a tenso de 500 para 3000 V numa extremidade e reduzindo novamente para 500 V na outra extremidade. As ruas e lojas da cidade, iluminadas, cavam repletas de pessoas noite. Westinghouse viu o sistema em funcionamento pela primeira vez em Abril 1886, quando decidiu investir ativamente na corrente alternada, em particular no desenvolvimento de alternadores.

Westinghouse tambm comprou um alternador Siemens.

Teoria de circuitos e mquinas eltricasAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Teoria de circuitos e mquinas eltricasDesenvolvimentos tericos: Georg Simon Ohm (continuao) em Setembro/1817 ensinava matemtica e fsica no Colgio Jesuta de Colonia, que possua um laboratrio bem equipado de fsica, onde Ohm podia realizar experincias com baterias e condutores eltricos;As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Desenvolvimentos tericos: Georg Simon Ohm

Entrou na Universidade de Erlangen em 1805. Aps 3 semestres seu pai o enviou para a Suia para dar aulas de matemtica no colegial pois Ohm gastava muito mais tempo se divertindo do que efetivamente estudando; os resultados hoje conhecidos como Lei de Ohm foram publicados em 1827, recebendo pouca aceitao em virtude de sua abordagem matemtica pouco utilizada pelos fsicos alemes da poca. O reconhecimento de seu trabalho s ocorreu em 1833, quando se tornou diretor da Escola Politcnica de Nuremberg. O reconhecimento internacional ocorreu em 1841 (Royal Society) e 1845 (Berlim e Turim); dentre os motivos para o reconhecimento tardio esto a sua personalidade introspectiva, sua abordagem matemtica e inimizades pessoais com autoridades alems; seu sonho de se tornar professor de fsica experimental na Universidade de Munique s se realizou em 1849, ao completar 60 anos. Morreu 5 anos depois, aos 65 anos de idade.

retornou a Erlangen em 1811, onde completou seu doutorado e comeou a dar aulas de matemtica;

durante dez anos viveu em condies modestas, ensinando em escolas medocres e dando aulas particulares. Apesar disso, continuou acompanhando a literatura tcnica da poca;

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Teoria de circuitos e mquinas eltricasDesenvolvimentos tericos: impedncia e reatncia

Desenvolvimentos tericos: Gustav Robert Kirchhoff

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Kennelly 1861/1939trabalhou na GE (1887-94), deu aulas em Harvard (1902-30), no MIT (1913-24), na Frana (1921-22), Japo (1931). em 1893 apresentou o conceito de impedncia, permitindo generalizar as leis de Ohm e Kirchhoff para circuitos de corrente alternada Presidente da AIEE entre 1898-1900

Entrou aos 18 anos na Universidade, para estudar matemtica, onde foi aluno dos fsicos Neumann e Gauss.

em 1845, aos 21 anos de idade, ainda estudante, enunciou pela primeira vez as Leis de Kirchhoff. Entretanto, a verso ocial de seu trabalho s foi publicada em 1854;

Steinmetz 1865/1923

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em 1847 comeou a trabalhar na Universidade de Berlin, sem salrio;

em 1850 se tornou professor de fsica na Universidade de Breslau;

em 1857 comeou a trabalhar com a conduo em os telegrcos, vindo a descobrir que a transmisso ocorre na velocidade da luz.

mereceria uma palestra especca, alemo, deciente fsico, chegou sem um tosto nos EUA, fugindo da Alemanha por problemas polticos . . . em 1892 apresentou a Lei da Histerese; em 93, o conceito de reatncia e o uso de nmeros complexos e fasores; em 94, teoria sobre o motor de induo; escreveu diversos livros . . . dirigiu a GE de 1892 a 1923 Presidente da AIEE entre 1901-02

Teoria de circuitos e mquinas eltricasAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Gnese do motor de induoWalter Baily, Physical Society, Londres, 28/Junho/1879 Um modo de produzir as rotaes de Arago a rotao do disco provocada pela rotao do campo magntico o disco pode girar nos dois sentidos, dependendo da seqncia de energizao dos eletroims se forem colocados 4 eletroims adicionais na parte superior do disco a fora ser amplicada perguntado sobre a potncia possvel de ser obtida, Bailey respondeu que considerava o dispositivo apenas um brinquedo cientco

B.G. Lamme 1864-1924

comeou a trabalhar na Westinghouse em 1889, onde notou que o projeto das mquinas eltricas era feito de forma emprica, sem considerar o circuito magntico e eltrico de forma adequada foi um dos responsveis pelo reprojeto dos motores de induo a partir de 1892 foi um dos responsveis pelo projeto dos geradores de Niagara Falls engenheiro-chefe da Westinghouse entre 1903-24 no usava rguas de clculo pois considerava que estas prejudicavam seu sexto-sentido quantitativo adorava msica clssica, fotograa, carros, dar aulas Presidente da AIEE em 1902-1903

Gnese do motor de induoAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Gnese do motor de induoGalileo Ferraris/Itlia

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada

Borel/Frana, 1887 Dispositivo destinado a acionar um contador

Primeiro prottipo, 1885.

Segundo prottipo, 1885.

Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses


Gnese do motor de induoGalileo Ferraris/ItliaAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Galileo Ferraris/Itlia

todos os prottipos eram bifsicos foi o primeiro a usar o termo escorregamento (diferena entre a velocidade angular do campo magntico e a velocidade do cilindro) ao descrever o funcionamento do seu dispositivo a ao indutiva era proporcional ao escorregamento apenas o quarto prottipo possua um circuito ferromagntico fechado calculava que o rendimento mximo deste motor seria 50%, obtido com escorregamento de 50%

Terceiro prottipo, 1886.

Quarto prottipo, 1886.

Medidas experimentais indicaram rendimento ainda mais baixo, justicando sua opinio de que este dispositivo no teria importncia comercial, servindo apenas para ns educacionais . . . publicou em 1888 artigo intitulado Rotaes eletromagnticas produzidas atravs de correntes alternadas


Gnese do motor de induoTesla/1887 - Diagramas utilizados para explicar o campo girante, usando um sistema bifsico de correntes.


Tesla/1887 - Publicou um conjunto de patentes, nas quais abrange vrios temas (sistemas polifsicos, produo de campo girante, motores de induo). Nos seus diagramas o rotor do motor de induo possui polos salientes! No detalha a forma construtiva do estator.

Gnese do motor de induoAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Gnese do motor de induoIlustrao do funcionamento de enrolamento trifsico, extrada de Courants polyphass et alterno-moteurs, Silvanus P. Thompson, Paris/1901.

Tesla e diversos outros (Dobrowoslky, Brown) sabiam que era possvel produzir um campo girante a partir de sistemas bifsicos ou trifsicos. As ilustraes abaixo so extradas de Courants polyphass et alterno-moteurs, Silvanus P. Thompson, Paris/1901.


Corrente alternadaTesla e Westinghouse

O papel da teoria - Steinmetz/Kennelly/Lamme

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No nal de 1887 Tesla apresentou 7 patentes cobrindo as reas de motores AC, transmisso de potncia, geradores, transformadores. Aps adquirir as patentes de Tesla em Julho/88 a Westinghouse tentou adaptar seus prottipos para trao eltrica. Tesla trabalhou em conjunto com Charles Scott, usando tentativa e erro. Os resultados foram desapontadores pois o motor quase no variava a velocidade e seu conjugado de partida era muito baixo;

As idias de Ferraris referentes

O uso de circuitos equivalentes

O motor tambm no produzia bons resultados para aplicaes industriais. Uma das razes era o uso de 133 Hz na alimentao dos motores e o uso de polos salientes.

baixa ecincia dos motores de

por fase (Steinmetz/1894)

induo acabaram se provando

permitia prever o comportamento

errneas.

dos motores de induo de forma

Tesla abandonou a Westinghouse em 1889. Naquela ocasio o nico motor de induo fabricado era monofsico, de 1/6 CV. O desenvolvimento foi suspenso em Dez/1890

clara.

Concluses

Corrente alternadaAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Corrente alternadaPorque os motores de induo da AEG e Brown funcionavam? enrolamento primrio distribudo em ranhurasFaraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

A Exposio Universal de Frankfurt em 1891

enrolamento secundrio do tipo gaiola de esquilo com barras isoladas do ncleo ferromagntico o resultado produzia baixa disperso, baixa corrente de magnetizao e alta ecincia ( 80%) motores pequenos eram do tipo gaiola, baratos, robustos e conveis motores maiores eram do tipo rotor bobinado para permitir o uso de reostatos de partida. ainda no se conhecia a curva caracterstica e circuito equivalente do motor de induo!

O sistema foi desenvolvido pela AEG e Oerlikon e transportava 70kW de potncia, com rendimento de 75%, na freqncia de 3040 Hz

Alm das lmpadas ( 1000) existia um motor trifsico de 60CV que acionava uma bomba capaz de produzir uma cascata articial de 10m de altura.

Brown, engenheiro suo foi um dos responsveis por este empreendimento. Brown e Boveri (engenheiro da Oerlikon) fundaram a BBC (Brown-Boveri Company) em 1891.

Corrente alternadaAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Corrente alternadaExposio Universal de 1893 em Chicago

Geradores monofsicos da Westinghouse

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130000 lmpadas incandescentes e 8000 lmpadas a arco sistema completo de transmisso/distribuiao com transformadores elevadores/abaixadores de 400:1200V o oramento da Westinghouse foi 50% do oramento da GE, cujo custo de condutores de cobre era muito alto foi apresentado um motor de induo de 300HP, bifsico (um dos maiores j construdos) foi apresentado um conjunto motor-gerador que permitia converter AC em DC

Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Geradores bifsicos de 750kW/60Hz (2 geradores monofsicos

acoplados) da Westinghouse, utilizados na Exposio de 1893 em

Chicago. A converso entre redes bifsicas e trifsicas era realizada

atravs de transformadores desenvolvidos por Scott, engenheiro da

Westinghouse (Medalha Edison de 1929).

Corrente alternadaAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Clovis Goldemberg As mquinas eltricas do sculo XIX

Proprietrios exclusivos do sistema polifsico de Tesla. o sistema ideal para a distribuio de potncia e luz em fbricas e ocinas. Motores, lmpadas a arco e lmpadas incandescentes so alimentados a partir do mesmo circuito. o sistema adotado na construo da Usina de Niagara Falls. Especialmente adaptado para a transmisso de potncia em longas distncias.

Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Todo o maquinrio utilizado nas nossas instalaes em East Pittsburg acionado por motores polifsicos Tesla, alimentados a partir de um gerador central. Resultados: alta ecincia, convenincia, economia e exibilidade. Visitas so bem-vindas.

Niagara FallsAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Niagara FallsO gerador de Niagara Falls 1 - 1895

Uma vista da Usina de Niagara Falls 2 (em 1905)

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares

12 polos 250 rpm rotor externo bifsico 25 Hz 5000 HP 3.75MW


Niagara FallsAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Niagara FallsO empreendimento de Niagara Falls (Parte 1)As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

O sistema eltrico associado Usina de Niagara Falls 1

em 1889 foi formada a CCC-Companhia de Construo das Cataratas, sendo que o primeiro lanamento pblico de aes foi um fracasso completo dentre as questes no resolvidas estava: quem que usaria tanta energia?. A cidade de Niagara possua apenas 5000 habitantes e o projeto s se tornaria vivel se a energia pudesse ser transmitida para Buffalo, que j tinha 250 mil habitantes. no havia consenso tecnolgico; Lord Kelvin (William Thomson) foi o presidente da comisso julgadora, sendo que existiram 3 licitaes

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Niagara FallsAs propostas da segunda e terceira licitao de Niagara Falls (propostas puramente eltricas):

As propostas da primeira licitao de Niagara Falls

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares

Existiam 14 propostas:

O edital no especicava AC ou DC, tendo sido convidadas 6 empresas: 3 americanas e 3 europias Dentre as empresas americanas existiam: Westinghouse (AC), Thomson-Houston (AC), Edison General Electric (DC)


7 propostas envolviam o uso de energia eltrica para a transmisso e distribuio. 5 destas propostas eram DC e apenas 2 AC. Uma das propostas envolvia carregar baterias em Buffalo que seriam posteriormente distribudas. Apenas 1 proposta era AC polifsica. 4 propostas envolviam transmisso de energia por ar comprimido, que poderia ser diretamente utilizado nas mquinas a vapor previamente existentes 1 proposta era hidrulica 1 proposta era puramente mecnica (cabos de ao) 1 proposta no detalhava o modo de transmisso

Na terceira licitao caram apenas as empresas americanas (protecionismo). Como a General Electric e Thomson-Houston haviam se agrupado sobraram apenas 2 empresas. A primeira transmisso para Buffalo ocorreu em Novembro/1896, com direito a banda de msica, salva de tiros de canho e o incio do funcionamento do sistema de bondes.

A primeira licitao foi cancelada

Neste intervalo continuaram as obras civis sendo que a construo do tnel terminou em Dez/1892.

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Niagara FallsFormas de onda dos alternadores. Ganz e Cia. (parte superior), Siemens & Halske (parte inferior) Extrado de Courants polyphass et alterno-moteurs Silvanus P. Thompson / Paris/1901

Niagara Falls e os ecologistas

Um dos primeiros movimentos a favor da construo de Niagara Falls teve motivao ecolgica. O Free Niagara Movement tinha como objetivo restaurar as cataratas e redondezas para a condio original.

Quase todas as margens do rio e mesmo algumas ilhas haviam sido ocupadas por pequenas fbricas que usavam a gua para movimentar diretamente suas mquinas.

Dentre os participantes ilustres do Free Niagara Movement estava Frederick Olmsted, que havia concebido o Central Park de Nova York.

Niagara Falls foi o terceiro parque nacional dos EUA, tendo sido precedido por Yellowstone e Yosemite. Entretanto, foi o nico que exigiu desapropriaes.

Steinmetz versus MaxwellAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Steinmetz versus Maxwell

As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday

nunca se encontraram mas a polmica surgiu em 1894, na anlise de motores de induo, atravs de Michael Pupin, que dizia:

em 17/Outubro/1894 Samuel Reber, orientado de Pupin, apresentou o trabalho Teoria dos motores bifsicos e trifsicos. Seguiu-se um debate spero entre Pupin, Steinmetz e Kennelly. na anlise do motor de induo feita pelos Maxwellianos (Reber e Pupin) eram desprezadas a disperso e as perdas no circuito magntico. Alm disso envolvia uma matemtica considervel.

Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores

. . . as tentativas dos mortais comuns em fazerem algo melhor do que Maxwell devem ser desencorajadas. Devemos seguir com Maxwell o mximo que pudermos at que algum mais profundo do que ele nasa . . .

Steinmetz objetou que o trabalho era muito matemtico e muito limitado, sendo incapaz de considerar os efeitos bsicos do motor. Em particular, mencionou que a disperso jamais poderia ser desprezada pois quem dene a potncia mxima do motor. Kennelly apoiou Steinmetz dizendo: mtodos de engenharia devem ser utilizados para os problemas da engenharia.

para Pupin, a teoria de Maxwell era a melhor base para a eletrotecnologia. As tentativas de modicar a teoria para os ns prticos de projeto iriam enfraquecer as estruturas fundamentais sobre as quais repousava o edifcio completo da engenharia eltrica.

Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Steinmetz e Kennelly (entre outros) no tinham a inteno de modicar a teoria eletromagntica de Maxwell. Queriam apenas resolver os problemas dos mortais comuns adaptando a teoria para ns prticos.

Steinmetz apresentou a seguir sua teoria, baseada no circuito equivalente, extremamente simples e capaz de prever o comportamento do motor de induo de forma completa.

Steinmetz versus MaxwellAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses As mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg

Steinmetz versus MaxwellFluxos num motor de induo trifsico Extrado de Courants polyphass et alterno-moteurs Silvanus P. Thompson - Paris/1901

A origem da polmica est na forma pela qual o uxo interno ao motor interpretado. Na viso de Steinmetz seria possvel separar o uxo mtuo do uxo disperso, o que facilitava a anlise e projeto do motor. Na viso dos Maxwellianos existia apenas o uxo total e o mtuo. Atualmente sabe-se que possvel compatibilizar as duas vises.

As curvas apresentadas por Steinmetz durante o debate de 1894 esto dadas abaixo. (Esquerda) Curva caracterstica completa do motor de induo. (Direita) Curva caracterstica do motor de induo variando-se a resistencia rotrica.

ConclusesAs mquinas eltricas do sculo XIX Clovis Goldemberg Introduo Disco de Arago Faraday Mquinas DC elementares Motores de relutncia Mquinas dnamo-eltricas Faa-se a luz... Transformadores Circuitos eltricos Gnese do motor de induo Corrente alternada Niagara Falls Steinmetz versus Maxwell Concluses

Existem relatos de que o Primeiro-Ministro ingls teria perguntado a Faraday a utilidade da eletricidade.

Uma primeira resposta atribuda a Faraday foi: qual a utilidade de um beb recm-nascido?. De fato, as primeiras invenes eram efetivamente muito primitivas, demorando quase meio sculo para se viabilizarem.

A segunda resposta, mais cnica, foi: provvel que algum dia o Sr. possa tax-la! O surgimento de grandes empresas (GE, Westinghouse, Siemens, ABB, AEG, etc) ao nal do sculo XIX certamente permitiu um aumento signicativo na arrecadao de inmeros pases. Mas, acima de tudo, o sucesso tecnolgico mudou a face do mundo!

Tal sucesso dependeu de sorte, bom-senso, recursos, cincia e engenharia (o ouvinte escolhe a ordem que preferir . . . )

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