Diferenças entre Máquinas Síncronas e Assíncronas

FONTES ALTERNATIVAS E CONVERSÃO DE ENERGIA Erick Costa Bezerra Diferenças entre máquinas síncronas e assíncronas Quando um campo magnético varia no tempo e um condutor é exposto a esse campo é produzido um campo elétrico no espaço de acordo com a lei de Faraday Se o material do condutor for de alta condutividade elétrica o campo E é muito pequeno e desprezado dessa forma o primeiro termo da equação se reduz ao negativo da tensão induzida UMANS 2014 Outra consideração é que no segundo membro da equação predomina o fluxo do núcleo e como o enrolamento tem N bobinas concatenadas a equação se reduz a Note que λ é o fluxo concatenado Wbe do enrolamento definido como λ Nφ Outra simplificação comum é que em um circuito magnético no qual a permeabilidade do material é elevada fluxo magnético confinado e constante a relação entre o fluxo e a corrente será linear e a indutância será dada por Se a relutância do núcleo for considerada desprezível em comparação à do entreferro Com o uso de materiais magnéticos obtêmse densidades elevadas de fluxo magnético com níveis baixos da força magnetomotriz fmm Os materiais magnéticos podem ser usados para delimitar e direcionar os campos magnéticos dentro de caminhos bem definidos Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 2 Figura 1 a estator de uma máquina elétrica b lâminas que compõem o núcleo do estator Fonte Learn Engineering 2013 documento online Embora existam vários modelos de rotores na Figura 2 são apresentados os mais comuns O rotor bobinado é apresentado na Figura 2a e o rotor gaiola de esquilo na Figura 2b As características construtivas de cada um são resultado da iteração dos campos e do regime de trabalho da máquina Um exemplo é o rotor gaiola de esquilo que por ser feito com barras de uma liga metálica é bem mais robusto e quase não tem manutenção quando comparado ao rotor bobinado Note que ambos os rotores também utilizam núcleos com materiais de alta permeabilidade para melhorar a indução eletromagnética entre o estator e o rotor Figura 2 a Rotor de uma máquina síncrona b diagrama em corte de um pequeno motor de indução típico com rotor gaiola de esquilo Fonte Chapman 2013 p 196 e p 309 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 4 Os motores CA se dividem em dois grandes grupos motores síncronos e assíncronos A diferença entre eles é como os campos interagem entre o estator e o rotor A Figura 2b apresenta um motor assíncrono que é o mais comum no mundo por se tratar de um equipamento simples robusto e que tem uma manutenção bem mais simples se comparado às outras máquinas elétricas A Figura 3 apresenta um desenho esquemático e a peça do rotor de gaiola de esquilo Figura 3 a Desenho esquemático de um rotor gaiola de esquilo b rotor gaiola de esquilo típico Fonte Chapman 2013 p 308 5 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas O funcionamento do motor assíncrono é baseado na alimentação do en rolamento do estator gerando uma corrente alternada nesses condutores e consequentemente um campo magnético rotativo A velocidade de rotação desse campo magnético é chamada de velocidade síncrona nS Onde fe é a frequência elétrica aplicada ao estator Hz polos é o número de polos magnéticos gerados pelos enrolamentos da máquina A velocidade de rotação do rotor nn é dada por Onde s é o escorregamento que é usado para descrever o movimento relativo do rotor e dos campos magnéticos O escorregamento também pode ser visto como perdas de um sistema nesse caso podemos ter como exemplo o acoplamento de uma carga ao eixo do motor que adicionará uma resistência à sua rotação natural causando assim uma diferença ainda maior entre a velocidade síncrona e a velocidade de rotação do rotor Outras perdas são intrínsecas ao equipamento e componentes como rolamentos também adicionam pontos de atrito mecânico ao eixo do motor ou seja são todas as perdas no eixo do motor Se a velocidade de rotação do rotor for igual à rotação do campo magnético o escor regamento será igual a zero Ou seja não existe movimento relativo entre o campo magnético e o rotor de modo que não existirá tensão induzida Se não há tensão induzida não haverá torque fazendo o motor diminuir a velocidade A Figura 4 mostra o circuito equivalente por fase de um motor assíncrono note que ele é idêntico ao de um transformador Como todo o seu princípio Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 6 de funcionamento é baseado na indução de tensão no rotor ele também é chamado de motor de indução Figura 4 Circuito equivalente do motor assíncrono por fase Fonte Chapman 2013 p 321 Onde a impedância do estator é Z1 R1 jX1 E a impedância do rotor é Assim o uso da relação de espiras efetiva se dá porque todas as impedâncias foram referidas para o lado do estator A impedância do ramo de magnetização representa como no transformador a impedância do núcleo do equipamento E1 é a tensão induzida no rotor referida para o lado do estator A Figura 5 apresenta uma máquina elétrica síncrona que trabalha com velocidades constantes resultado da interação entre campos magnéticos rotativos e estáticos Como no motor de indução o estator do motor síncrono produz um campo magnético rotativo O rotor em vez de ter um campo 7 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas induzido como no motor de indução é alimentado por uma fonte CC que produzirá um campo magnético estacionário Figura 5 Campos magnéticos de um gerador síncrono Fonte Adaptada de Chapman 2013 p 309 Note que o campo magnético do estator do motor síncrono gira com a velocidade síncrona nS e que o campo magnético do rotor está parado Como a velocidade de um é bem maior que a do outro os campos magnéticos não vão conseguir alinhar seus polos de modo que o motor não consegue girar A Figura 6 apresenta a solução para esse problema a inserção de uma gaiola de esquilo no rotor da máquina faz o mesmo trabalho realizado no motor de indução e assim torna a partida do motor possível Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 8 Figura 6 Vista esquemática de um gerador síncrono monofásico com um único enrolamento e dois polos Fonte Umans 2014 p 193 Durante a partida o motor síncrono funcionará igual ao motor de indução mas assim que ele chegar à sua velocidade nominal essa velocidade é sufi ciente para que os polos do estator e do rotor se acoplem deixando a velocidade do rotor igual à velocidade síncrona Quando isso acontecer não haverá mais movimento relativo entre o campo magnético do estator e os enrolamentos do rotor não existindo mais indução de tensão na gaiola de esquilo do rotor e deixando apenas o motor com o intertravamento dos polos Aplicação de máquinas síncronas e assíncronas As máquinas síncronas podem trabalhar tanto como motor normalmente são motores de grande potência quanto como gerador que é a sua aplicação mais comum São a mais importante fonte de geração de energia elétrica sendo responsáveis por quase 99 de toda a potência que é gerada Máquinas síncronas de polos salientes normalmente têm um grande número de polos de 48 a 96 polos ocasionando assim baixas rotações 9 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 75150 rpm e sendo utilizadas com turbinas hidráulicas para gerações de até 800 MW Também podem ser usadas para pequenas gerações 100 kW a 5 MW quando com motores diesel ou turbinas a vapor de pequeno porte trabalham com um número de polos reduzidos 4 6 e 8 polos Quando trabalham com altas rotações utilizam um rotor cilíndrico polos lisos e trabalham com turbinas de vapor ou gás atingindo níveis de potência gerada de até 2000 MW A Figura 7 apresenta uma das unidades geradoras da hidrelétrica de Itaipu Para ter uma ideia da dimensão do gerador note a pessoa desenhada no canto direito inferior O rotor pesa 1760 toneladas sendo o peso do conjunto de 3242 toneladas com uma potência nominal de 737 MVA para 60 Hz Figura 7 Gerador síncrono Fonte Itaipu Binacional 2018 documento online As máquinas de indução também podem trabalhar como gerador mas sua principal aplicação é como motor na indústria sendo utilizadas em pratica mente todos os pontos da cadeia produtiva Em processos de transformação da indústria alimentícia essas máquinas são aplicadas em moinhos de grãos esmagadores máquinas de corte misturadores Em processos de transporte conduzem tanto elementos sólidos quanto líquidos com aplicações em elevadores guindastes esteiras transportadoras ventiladores compresso res bombas entre outras aplicações Outra aplicação que está tornandose comum é a utilização dessas máquinas como motores em carros elétricos Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 10 Funcionamento das máquinas CC Máquinas CC podem utilizar no seu estator um ímã ou um enrolamento alimentado por um sistema CC ambos proverão um campo magnético estacionário O rotor é composto por um núcleo laminado e como nos outros motores também utilizam núcleos com materiais de alta permea bilidade para melhorar a indução eletromagnética entre o estator e o rotor Contudo nesse caso não existe indução no rotor ou uma alimentação CA a alimentação do enrolamento do rotor agora é CC A Figura 8a apresenta uma máquina CC em que o estator é um ímã permanente e o rotor é alimentado por uma bateria Figura 8 Máquina CC funcionando como motor Fonte Learn Engineering 2014b documento online 11 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas O motor da Figura 8a está usando uma bateria de 48 V A densidade de fluxo magnético que passa pelo único enrolamento é de 05 T A velocidade de rotação do eixo do motor é de 500 rads o comprimento do enrolamento é de 08 m e a distância entre o centro do enrolamento e a sua lateral é de 02 m A resistência da bateria e do fio da máquina é 05 Ω a Essa máquina está trabalhando como motor ou como gerador A tensão induzida no enrolamento que gira a uma velocidade de 400 rads é dada por eind 2rlBω 2020805500 80 V Como a tensão induzida é maior que a tensão fornecida pela bateria de 48 V a máquina está trabalhando como gerador b Se a velocidade for reduzida para 290 rads essa máquina está trabalhando como motor ou como gerador A tensão induzida no enrolamento que gira a uma velocidade de 290 rads é dada por eind 2rlBω 2020805290 464 V Como a tensão induzida é menor que a tensão fornecida pela bateria de 48 V a máquina está trabalhando como motor c Existe diferença entre o comportamento da corrente no item a e no item b A corrente pode ser obtida pela análise do circuito simples formado pela máquina elétrica e a bateria eind Ri VB Para a Para b Existe diferença entre os módulos da corrente e seu ângulo o que indica que nesses dois casos as correntes trabalham em sentidos opostos A Figura 8b chama a atenção para um componente do motor denominado comutador de anel a direção da força que provoca o movimento do rotor depende do sentido da corrente A Figura 9a descreve o momento da partida do motor a corrente é repre sentada pela seta horizontal e a força pela setas verticais Outro ponto de Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 12 atenção é que o comutador é cortado ao meio e cada ponta do enrolamento está conectada a uma dessas partes O rotor começa a girar no sentido antihorário como mostra a Figura 9b e observe que nesse instante as duas partes do anel coletor começarão a ter contato com o outro polo da bateria Dessa forma o sentido da corrente sempre permanece o mesmo como mostra o instante da Figura 9c Outro ponto de atenção é o instante da Figura 9d que mostra o momento em que o torque no enrolamento é próximo a zero O movimento continua devido à sua inércia mas mesmo assim existe uma diferença de velocidade que fica dando pequenos solavancos no motor quando ele passa por essa região Para solucionar esse problema é feito outro corte no anel coletor agora dividindo ele em quatro partes e adicionando outro enrolamento tendo assim sempre uma resultante de torque maior que zero Figura 9 Máquina CC funcionando como motor Fonte Learn Engineering 2014b documento online Motores CC que utilizam ímãs permanentes são pequenos e normalmente esses motores utilizam enrolamentos em seu estator alimentados pela mesma fonte CC que alimenta o enrolamento do rotor O comutador é cortado em uma grande quantidade reduzindo o efeito do torque nulo até tornálo imperceptível 13 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas Caso a máquina funcione como um gerador note que a tensão induzida gerada será CA e a retificação do sinal é feita de maneira mecânica pelo comutador que entregará tensão CC às escovas Para saber mais sobre máquinas elétricas consulte os livros Fundamentos de máquinas elétricas CHAPMAN 2013 e Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley UMANS 2014 O motor de indução é um exemplo prático de um equipamento que utiliza um campo estacionário e outro rotativo para executar a conversão de energia httpsgooglCj9z7m Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas 14 CHAPMAN S J Fundamentos de máquinas elétricas 5 ed Porto Alegre AMGH 2013 ITAIPU BINACIONAL Unidades geradoras 2018 Disponível em httpswwwitaipu govbrenergiaunidadesgeradoras Acesso em 17 ago 2018 LEARN ENGINEERING DC motor how it works 2014b Disponível em httpswww youtubecomwatchvLAtPHANEfQo Acesso em 17 ago 2018 LEARN ENGINEERING How does an Induction Motor work 2013 Disponível em https wwwyoutubecomwatchvLtJoJBUSe28 Acesso em 17 ago 2017 LEARN ENGINEERING Working of synchronous motor 2014a Disponível em https wwwyoutubecomwatchvVk2jDXxZIhs Acesso em 17 ago 2017 UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH 2014 Leituras recomendadas DEL TORO V Fundamentos de máquinas elétricas Rio de Janeiro Livros Técnicos e Científicos 1999 HAYT JR W H BUCK J A Eletromagnetismo 8 ed Porto Alegre AMGH 2017 KOSOW I Máquinas elétricas e transformadores Rio de Janeiro Globo 1998 15 Princípios de funcionamento em regime permanente de máquinas rotativas síncronas