Maquinas Rotativas: Introducao, Caracteristicas e Funcionamento - Acionamentos Eletricos

ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Fauzi Marraui Introdução às máquinas rotativas Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Descrever as características das máquinas rotativas Analisar o princípio de funcionamento das máquinas elétricas Interpretar o dimensionamento das máquinas rotativas Introdução As máquinas rotativas são motores e geradores constituídos basicamente por uma parte móvel e uma parte estacionária Elas são máquinas elétricas que realizam a conversão de energia elétrica em energia mecânica e viceversa utilizadas desde o motor de uma geladeira até os geradores encontrados nas usinas hidrelétricas Neste capítulo você verá as principais características o funcionamento e o dimensionamento das máquinas rotativas que dispõem de diferentes classes Características das máquinas rotativas Máquinas rotativas são nada mais nada menos do que máquinas elétricas constituídas por uma parte móvel e girante em relação a uma parte fixa chamadas de rotor e estator respectivamente Além disso o objetivo desses equipamentos consiste em realizar a conversão de energia elétrica em energia mecânica ou viceversa ou seja os motores elétricos são máquinas rotativas que convertem energia elétrica em energia mecânica possibilitando o acionamento de inúmeros outros dispositivos e os geradores basicamente são o oposto dos motores pois convertem energia mecânica em elétrica como a energia povinda do funcionamento de turbinas tão conhecidas em razão das usinas hidrelétricas De acordo com Umans 2014 as tensões nas máquinas rotativas são gera das pelos enrolamentos o um conjunto de bobinas conectadas em conjunto denominados enrolamento de armadura No caso das máquinas de corrente alternada CA como as máquinas síncronas e de indução esses enrolamentos também são chamados de enrolamentos de estator pois se alojam na parte fixa do motor já no caso das máquinas de corrente contínua CC o enrolamento de armadura é alojado no rotor de modo que quando o rotor está girando um contato mecânico rotativo é utilizado para fornecer corrente para esse enrolamento Além disso existem os chamados enrolamentos de campo que produzem o fluxo principal de operação da máquina localizados no rotor das máquinas síncronas e no estator das máquinas CC Na Figura 1 é possível observar a construção de uma máquina CC além de seus enrolamentos e componentes principais Figura 1 Construção da máquina CC Fonte Adaptada de Kosow 1982 p 40 Escovas Carcaça estator Pedestal Enrolamento do interpolo Núcleo da armadura Enrolamento da armadura Núcleo polar Enrolamento polar Sapata polar Comutador Eixo do rotor Introdução às máquinas rotativas 2 Analisando o rotor da máquina CC a partir da Figura 1 podese observar que é composto pelo eixo do rotor ou eixo da armadura o qual segundo Kosow 1982 fornece rotação ao núcleo da armadura além dos enrolamentos e do comutador o qual por sua vez tem a função de providenciar o chaveamento necessário para o processo de comutação sendo eletricamente conectado às bobinas do enrolamento de armadura Basicamente o rotor de uma máquina CC apresenta quatro funções principais KOSOW 1982 1 permitir a rotação para a ação geradora ou a ação motora 2 produzir a ação de chaveamento necessária para a comutação 3 induzir a tensão ou providenciar o torque eletromagnético 4 providenciar uma faixa de baixa relutância para o núcleo Na Figura 1 com maior enfoque no estator da máquina CC podese ver que por se tratar da parte fixa ele consiste literalmente na carcaça da máquina servindo como suporte ao rotor e também como uma faixa de retorno do fluxo para o circuito magnético criado segundo Kosow 1982 pelos enrolamentos de campo os quais podem estar em paralelo ou em série com o enrolamento do interpolo no circuito de armadura Além disso as escovas fazem parte do circuito da armadura podendo ser de carvão ou de silício responsáveis por manter um contato firme com os segmentos do comutador A construção do estator de uma máquina síncrona de campo fixo ou seja com o enrolamento de campo excitado por uma fonte CC será igual à da máquina CC de modo que o enrolamento de armadura será levado a anéis coletores e a um comutador Contudo conforme Kosow 1982 a construção da máquina síncrona com campo fixo é limitada em comparação com a da máquina síncrona de campo móvel na qual o enrolamento de campo é alimen tado por uma fonte CC a partir de dois anéis coletores e a armadura é ligada diretamente a uma fonte polifásica CA ou à carga conforme ilustra a Figura 2 3 Introdução às máquinas rotativas Figura 2 Construção da máquina síncrona de campo móvel Fonte Adaptada de Kosow 1982 p 42 N S N S Anéis coletores Polo Bobina polar Enrolamento da armadura Estator A Figura 2 ilustra uma máquina síncrona de polos salientes de modo que funcionará como um motor síncrono quando o estator estiver ligado a uma fonte polifásica CA e o rotor girará em uma velocidade denominada velocidade síncrona pois estará girando em sincronismo com o campo girante desenvolvido pelo enrolamento de estator O enrolamento da armadura no estator das máquinas de indução pode ser conectado tanto a uma fonte monofásica quanto polifásica CA de acordo com Kosow 1982 e a construção do estator é idêntica à de máquinas síncronas em contrapartida o rotor não é excitado separadamente por uma fonte CC e quando ele é movimentado por uma máquina primária em uma velocidade que excede a velocidade síncrona a máquina de indução se torna um gerador de indução Já quando a armadura é ligada a uma fonte CA a máquina funcionará Introdução às máquinas rotativas 4 normalmente como um motor de indução ou seja operando como gerador ou motor a máquina de indução requer que a armadura seja alimentada por uma fonte CA A Figura 3 ilustra uma máquina de indução na qual o enrolamento do rotor conduz a corrente alternada produzida por indução pelo enrolamento do estator que por sua vez está diretamente ligado à fonte CA Figura 3 Construção da máquina de indução Fonte Adaptada de Kosow 1982 p 43 Enrolamento da armadura estator Enrolamento do rotor Eixo Rotor laminado Além disso conforme Umans 2014 o rotor e o estator de grande parte das máquinas rotativas são constituídos de aço elétrico e os enrolamentos são instalados em ranhuras alojadas nessas estruturas pois este material tem alta permeabilidade portanto aumenta o acoplamento entre as bobinas e a densidade de energia magnética associada à interação eletromecânica As características apresentadas são as principais das máquinas rotativas que apresentam variações de acordo com a alimentação CA ou CC Essa diferenciação também ocorrerá nos princípios de funcionamento desses tipos de máquinas como você verá a seguir 5 Introdução às máquinas rotativas Princípio de funcionamento das máquinas elétricas Como você pode perceber analisando as diferentes estruturas que as máquinas rotativas podem adotar suas principais características dependem do tipo de alimen tação de que dispõem podendo ser máquinas CA ou CC Portanto para a discussão dos princípios de funcionamento elas serão divididas nessas duas categorias Máquinas CA Como mencionado anteriormente bem como descritas as características existem duas categorias principais dentro das máquinas CA as máquinas síncronas as quais conforme resumido por Chapman 2013 são motores e geradores em que a corrente de campo magnético é fornecida a partir de uma fonte CC separada e as máquinas de indução motores e geradores nos quais essa corrente de campo é fornecida a partir de indução magnética em seus enrolamentos de campo Para a análise do funcionamento de uma máquina síncrona considere o exemplo da Figura 4 que ilustra um gerador síncrono de dois polos Figura 4 Gerador síncrono de dois polos Fonte Umans 2014 p 193 Introdução às máquinas rotativas 6 As linhas tracejadas na Figura 4 representam os caminhos do fluxo pro duzidos pelo enrolamento de campo de modo que em uma análise idealizada dessa máquina conforme Umans 2014 podese assumir que a distribuição do fluxo magnético no entreferro é senoidal e a distribuição radial resultante da densidade de fluxo B é uma função do ângulo espacial θa medido em relação ao eixo magnético do enrolamento de armadura como ilustrado pela Figura 5 onde θa representa a respectiva tensão gerada na máquina síncrona Figura 5 Distribuição senoidal ideal de B no entreferro e a respectiva forma de onda da tensão gerada no gerador síncrono Fonte Umans 2014 p 194 Desse modo ainda conforme Umans 2014 a tensão da bobina passa por um ciclo completo a cada revolução da máquina de dois polos e sua frequência em Hz ciclos por segundo é a mesma que a velocidade do rotor em rpm rotações por minuto ou seja reiterando o que foi visto anteriormente a frequência da tensão gerada estará sincronizada com a velocidade mecânica portanto para o exemplo da Figura 4 a máquina síncrona girará a 3600 rpm para gerar uma tensão de 60 Hz A partir dessa lógica podemos analisar as máquinas síncronas de mais de dois polos de modo que as condições elétricas magnéticas e mecânicas associadas aos demais pares de polos sejam repetições de um par considerado por esse motivo segundo Umans 2014 os ângulos são expressos em graus elétricos ou radianos elétricos para que um par de polos em uma máquina síncrona de múltiplos polos corresponde a 360 elétricos ou 2π radianos elétricos A Equação 1 representa o cálculo do ângulo em unidades elétricas θae dada por 7 Introdução às máquinas rotativas 1 Portanto a frequência elétrica fe em Hz gerada em uma máquina síncrona resulta na Equação 2 2 onde n é a velocidade mecânica em rpm por isso n60 representa Hz ou seja rotações por segundo Além disso é possível obter a frequência elétrica da tensão gerada em radianos por segundo representada por ωe e dada pela Equação 3 3 onde ωm é a velocidade mecânica em radianos por segundo Para a análise de uma máquina de indução considere a Figura 6 que ilustra uma vista em corte longitudinal de um motor de indução com rotor tipo gaiola de esquilo Figura 6 Motor de indução com rotor tipo gaiola de esquilo Fonte Umans 2014 p 199 Introdução às máquinas rotativas 8 Como mencionado anteriormente as máquinas de indução não necessitam de uma fonte externa para excitar os enrolamentos do rotor já que conforme Umans 2014 são assíncronas e apesar de a onda de fluxo produzida pelas correntes induzidas nos enrolamentos curtocircuitados do rotor girar em sincronismo com a onda de fluxo gerada no estator o conjugado é produzido apenas quando a velocidade do rotor é diferente da síncrona Na maioria dos casos os motores de indução operam em uma velocidade abaixo da velocidade síncrona A Figura 7 ilustra uma curva característica do funcionamento desse tipo de máquina evidenciando a velocidade em função da porcentagem da velocidade síncrona pelo conjugado de um motor de indução típico Figura 7 Conjugado versus velocidade em um motor de indução Fonte Umans 2014 p 200 Máquinas CC Como mencionado no primeiro tópico deste capítulo as máquinas CC apre sentam o enrolamento de armadura alojado em seu rotor com a corrente circulando por meio de escovas De acordo com Chapman 2013 a maior parte das máquinas CC funciona como as máquinas CA pois elas também têm tensões e correntes de corrente alternada em seu interior embora disponham de uma saída em corrente contínua em razão da presença de comutadores que convertem essas tensões nos terminais desse tipo de máquina 9 Introdução às máquinas rotativas Para a análise do funcionamento de uma máquina CC considere o exemplo da Figura 8 que ilustra um gerador CC de dois polos com comutador Figura 8 Gerador CC de dois polos Fonte Umans 2014 p 201 A partir da Figura 8 considere que o rotor gira com velocidade constante em decorrência de uma fonte de potência mecânica conectada ao seu eixo de modo que além do rotor a bobina da armadura e o comutador também giram enquanto as escovas permanecem estacionárias Conforme Umans 2014 a forma de onda da distribuição do fluxo no entreferro desse tipo de máquina se aproxima de uma onda de picos achatados diferentemente do que acontece com as máquinas CC conforme ilustra a Figura 9 a partir da qual você pode observar que a rotação da bobina produz uma tensão de bobina sendo uma função de tempo com a forma de onda igual à da densidade de fluxo B Introdução às máquinas rotativas 10 Figura 9 Distribuição de B no entreferro e a respectiva forma de onda da tensão entre as escovas de uma máquina CC Fonte Umans 2014 p 202 Dessa forma ainda de acordo com Umans 2014 a corrente contínua no enrolamento de campo é a responsável por criar uma distribuição estacionária de fluxo magnético em relação ao estator de modo que a partir do efeito do comutador quando essa corrente circula pelas escovas a armadura também gera uma distribuição de fluxo A interação dessas duas distribuições de fluxo é o que produz o conjugado nas máquinas CC de modo que quando atuando como gerador o conjugado se opõe à rotação e quando atuando como motor opera no sentido da rotação A partir do que foi apresentado até agora você pôde compreender melhor o princípio de funcionamento das máquinas elétricas rotativas que varia de 11 Introdução às máquinas rotativas acordo com as classes analisadas Entendido isso você estará apto a estudar o próximo tópico que abordará o dimensionamento dessas máquinas Dimensionamento das máquinas rotativas Como descrito ao longo deste capítulo todas as máquinas rotativas indepen dentemente do tipo são constituídas basicamente por três partes essenciais KOSOW 1982 1 um enrolamento que produza campo magnético 2 um enrolamento com condutores que conduzam corrente 3 um meio que proporcione movimento relativo entre os enrolamentos descritos em 1 e 2 Além disso grande parte das armaduras tem enrolamentos distribuídos ou seja que se estendem por meio de ranhuras localizadas na parte periférica do entreferro De acordo com Umans 2014 as bobinas individuais são conectadas resultando em um campo magnético com o mesmo número de polos que o enrolamento de campo A Figura 10 ilustra o campo magnético produzido por um enrolamento com uma única bobina de N espiras a qual compreende 180 elétricos portanto essa bobina é denominada bobina de passo pleno Figura 10 Fluxo produzido por uma bobina de passo pleno em uma máquina rotativa Fonte Umans 2014 p 203 Introdução às máquinas rotativas 12 Observe os caminhos que as linhas de fluxo percorrem no exemplo da Figura 10 de acordo com Umans 2014 ao longo de qualquer um desses ca minhos fechados a FMM força magnetomotriz será Ni Considerandose que a relutância do circuito magnético está toda no entreferro e por consequência toda a queda da FMM ocorre no entreferro e deve estar ali distribuída de maneira uniforme e como cada linha do fluxo magnético tende a cruzar o entreferro duas vezes a queda da FMM resultará em Ni2 Assim analisando o entreferro e o enrolamento dispostos de forma plana conforme ilustra a Figura 11 podese observar que a distribuição da FMM no entreferro está dada pela distribuição de amplitude Ni2 semelhante a degraus Figura 11 FMM produzida no entreferro por uma corrente nesse enrolamento Fonte Umans 2014 p 203 Os pontos e as cruzes que constam na superfície do estator ilustrado na Figura 11 representam os fluxos de corrente que se aproximam ou se afastam do leitor o ponto indica a aproximação e a cruz o afastamento Analisando dessa forma supõemse que as distribuições espaciais da FMM sejam senoi dais o que vêm a representar uma suposição bastante satisfatória quando se trata de máquinas CA contudo para as máquinas CC em razão da presença do comutador essa forma de onda se torna mais semelhante à forma de onda dente de serra embora de acordo com Umans 2014 mesmo considerando a forma de onda senoidal na análise do dimensionamento de máquinas CC seja possível colocar em evidência as características fundamentais desse tipo de máquina 13 Introdução às máquinas rotativas Desse modo a partir do que foi descrito ao longo deste capítulo chegase à conclusão de que o comportamento das máquinas rotativas é determinado pelos campos magnéticos criados por correntes nos diversos enrolamentos das máquinas e que a análise das características o funcionamento e o dimen sionamento podem ocorrer inicialmente a partir de máquinas simples de dois polos nas quais os ângulos e as velocidades elétricas e mecânicas são iguais e em seguida extrapolar para máquinas de múltiplos polos determinadas a partir de equações que relacionam essas grandezas com o número de polos da máquina analisada CHAPMAN S J Fundamentos de máquinas elétricas 5 ed Porto Alegre AMGH Book man 2013 700 p KOSOW I L Máquinas elétricas e transformadores 4 ed Porto Alegre Globo 1982 2 v 667 p Enciclopédia Técnica Universal Globo UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH Bookman 2014 728 p Introdução às máquinas rotativas 14 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS