Maquinas Elétricas Girantes

INTRODUÇÃO

Máquinas elétricas são máquinas destinadas a transformar a energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Como vimos anteriormente, elas podem ser classificadas segundo a transformação da energia: geradora, motora ou transformadora. As duas primeiras classificações são também chamadas de "máquinas elétricas girantes ou rotativas", pela própria característica da conversão eletromecânica.

Nestes tipos de máquinas girantes ou rotativas, suas operações podem ser como operação MOTORA ou operação GERADORA. O que diferencia uma máquina da outra é o sentido da energia empregada. Por exemplo: quando se recebe energia mecânica rotacional pelo eixo da máquina e se converte em energia elétrica, temos então um gerador. A mesma máquina, com algumas adaptações, poderá receber energia elétrica e convertê-la em energia mecânica rotacional. Neste caso, teremos um motor.

Para que possam ser especificados corretamente, é necessário saber quais são os tipos de máquinas existentes no mercado, seu princípio de funcionamento, características construtivas e como realizar sua seleção. Teoricamente, todo motor pode ser um gerador, visto que é apenas uma máquina conversora de energia. O quadro seguinte mostra, de forma geral,os diversos tipos de máquinas elétricas que podem funcionar como motor (principalmente) ou como gerador.

Esta classificação é a mais conhecida e aceita, podendo as máquinas elétricas também serem, classificadas segundo o critério de rotação, grau de proteção, torque, rendimento etc.

DEFINIÇÕES

A máquina rotativa tem partes fixas e partes móveis. A parte fixa (estática) chamamos de ESTATOR e a parte móvel, girante ou rotativa chamamos de ROTOR. A figura a seguir mostra as várias partes de um motor elétrico genérico, no caso um motor trifásico de indução.

O espaço entre o estator e o rotor é chamado de "entreferro“, em Inglês: air gap, e tem papel fundamental no rendimento da máquina. O rotor normalmente é montado sobre um eixo de aço que está apoiado sobre mancais nas duas extremidades da carcaça. Este eixo normalmente recebe tratamento térmico para evitar problemas de empenamento e fadiga. A carcaça é a estrutura que suporta todo o conjunto e são geralmente de construção robusta em ferro fundido, aço ou alumínio, dependendo da aplicação.

O rotor pode ser um núcleo composto de chapas de material ferromagnético, a fim de reduzir as perdas no ferro, ou de uma peça fundida em alumínio que sustenta às chapas de ferro Neste último caso, estamos falando de um rotor no formato de gaiola no as barras e anéis de Alumínio formam os condutores do rotor em curto circuito.O rotor em formato de gaiola pode ser também construído com barras anéis de cobre ou ligas de cobre. Na prática, o projeto e a construção do rotor depende da sua aplicação e das características necessárias para seu melhor funcionamento.

Num gerador síncrono por exemplo, num turbogerador o rotor poderá ser uma peça maciça ferromagnética, usinado de forma a se criar ranhuras, slots, em sua superfície que permitam instalar os lados retos das bobinas de campo, bobinas do rotor.

Já o rotor de um hidrogerador, normalmente tem-se um diâmetro muito superior a de um turbogerador. Neste caso, nem todo material do rotor é peça magnética,sendo o núcleo rotativo composto apenas de uma estrutura metálica que dá suporte e escoramento ao núcleo magnético propriamente dito. Nesta estrutura ficam engastadas as peças polares, que são os pólos do rotor. Mais adiante veremos como é isto e a diferença entre os diversos tipos de máquinas síncronas

No caso do rotor de um motor, o tipo de motor é que define as características construtivas do rotor, podendo ser de indução (o mais comum), de corrente contínua, síncrono bobinado, de ímã permanente etc.

Portanto, dependendo do tipo de máquina elétrica elas possuem características bastantes diferentes, podendo acomodar bobinas, anéis de curto-circuito ou ímãs permanentes.

Um outro dado importante é quando dizemos sobre a velocidade da máquina. A "velocidade do eixo", "velocidade do rotor" ou "velocidade da máquina" diz respeito sobre a mesma coisa, ou seja, a velocidade de rotação do eixo da máquina. Pode parecer infundado o esclarecimento, mas este tipo de dúvida tem provocado bastante confusão.

Tanto o rotor quanto o estator possuem três partes importantes: o núcleo magnético, o enrolamento, bobinas, e o sistema de isolação. O propósito do núcleo é de "canalizar" o fluxo magnético através das bobinas. Os enrolamentos conduzem correntes elétricas que geram o fluxo magnético necessário para a conversão da energia, seja de elétrica para mecânica ou vice-versa. E o sistema de isolação que previne possíveis curto-circuitos nas partes de contato.

A seguir, veremos mais alguns detalhes sobre o rotor, o estator, o sistema de isolação e os enrolamentos amortecedores.

ROTOR

Em algumas máquinas, o rotor pode abrigar suas bobinas de duas maneiras diferentes.Se expusermos os pólos magnéticos ao enrolamento do estator chamaremos isto de rotor de "pólos salientes". Quando o núcleo do rotor tem pólos salientes, núcleo polar, as bobinas do rotor são enroladas em volta desta peça. O conjunto final do pólo é chamado de "sapata polar", nome muito utilizado no meio industrial. Sua função é providenciar uma correta distribuição da densidade de fluxo através do entreferro.

Os pólos salientes são usados principalmente em máquinas síncronas de geração de energia e também na parte estatórica das máquinas de corrente contínua Estas máquinas geralmente trabalham com rotações baixas, devido à resistência do ar elevado, ao conjunto mecânico não muito sólido e ao elevado número de pólos.

Na geração de energia hidrelétrica, a maioria das turbinas hidráulicas trabalham com uma velocidade baixa de rotação,entre 50 e 300 RPM a fim de obter a máxima performance do aproveitamento hidráulico. Como a freqüência elétrica é fixa 60 Hz, o número de pólos será um número relativamente grande. Baixa rotação geralmente caracteriza um diâmetro D de rotor elevado, de forma a fornecer espaço suficiente para a colocação de todos estes pólos,e um comprimento L dos pólos pequeno em relação a este diâmetro.

A outra maneira de se abrigar as bobinas do rotor e produzir pólos magnéticos é chamado de "pólos lisos". Neste caso, o bobinado do rotor está embutido nas ranhuras, slots, da mesma. Como vimos anteriormente, os turbogeradores são geradores que possuem este tipo de rotor. Sua energia mecânica, de rotação advém de turbinas à vapor que trabalham em altíssimas rotações. É o caso típico encontrado na co-geração em usinas de

açúcar e álcool. Esta rotação vai de 1500 a 3600 RPM, o que significa que o gerador deverá dar conta desta velocidade. Como são máquinas síncronas, ou seja, trabalham numa rotação sincronizada com a freqüência elétrica nominal, o número de pólos é sempre muito baixo, não excedendo a 4. Portanto, as máquinas síncronas de geração turbinada à vapor possuem 2 ou 4 pólos apenas.

Diferentemente das máquinas de pólos salientes, as de pólos lisos geralmente tem diâmetro D pequeno e comprimento L grande, ou seja, a relação D / L sempre será menor que 1. Ao contrário das de pólos salientes, onde esta relação sempre será maior que 1.

Em resumo

Turbinas hidráulicas tipo, Kaplan ou Francis, oferecem rotações baixas no seu eixo, exigindo uma máquina, hidrogerador, com vários pólos magnéticos, de preferência pólos salientes, o que implica num diâmetro grande, comparado ao seu menor comprimento.

Já as turbinas à vapor oferecem alta rotação, exigindo máquinas elétricas de

pouquíssimos pólos, no máximo 4, embutidos na própria peça rotórica pólos lisos. Isto implica num diâmetro menor que o seu comprimento, caracterizando um turbogerador.

ESTATOR

Como vimos anteriormente, o estator é a parte estática de uma máquina elétrica. É composta pela carcaça, pelo núcleo magnético e pelos enrolamentos do estator. No caso de um hidrogerador, a carcaça é fabricada em chapas de aço soldadas e podem ser construídas em seções para facilitar o manuseio e o transporte. O núcleo do estator é constituído de lâminas de 0,35 a 0,50 mm de espessura, de aço silício de alta permeabilidade. São estampadas com a máxima precisão, isentas de rebarbas e envernizadas em ambos os lados e curados a altas temperaturas.

No estator estão distribuídos, por suas ranhuras, os lados retos das bobinas de campo (para motores) ou bobinas de armadura, para geradores, conforme mostra a figura. Do ponto de vista elétrico, o estator de um gerador é idêntico ao estator de um motor de indução trifásico.

Para grandes máquinas, geradora ou motora, o núcleo estatórico é formado por uma combinação de chapas segmentadas, colocadas lado a lado, de tal forma a constituir uma peça única Este tipo de construção é muito comum na montagem de hidrogeradores.

ISOLAÇÃO

O sistema de isolação previne que possíveis curto-circuitos ocorram. Estão em várias partes da máquina elétrica, estator e rotor como entre as espiras de uma bobina, entre bobinas e o núcleo magnético, entre bobinas e a carcaça, etc. As isolações protegem contra surtos de chaveamento e outros tipos de defeitos. Também são elementos importantes na proteção térmica e seus efeitos.