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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. Possíveis operações de uma máquina elétrica rotativa.
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. Classificação simples das máquinas elétricas,conforme suas características construtivas e sua aplicação.
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.
Fotografia de um motor de indução trifásico, em corte para mostrar suas partes internas.
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. Rotor cilíndrico de pólos lisos de um turbogerador. Provavelmente um par de pólos. Repare-se no tamanho da peça em relação ao homem à direita. 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
Rotor de um hidrogerador. Repare-se no número de pólos salientes, peças Polares, e no enrolamento de armadura da excitatriz, à esquerda.. 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.
Rotor de pólos salientes. Fotografia do rotor de um grande motor esquerda. Repare-se nos detalhes construtivos deste tipo de conjunto. À direita, desenho esquemático mostrando o rotor de 4 pólos e as linhas de campo percorrendo seu caminho magnético. Observe-se as bobinas de campo, formato retangular, envolvendo os pólos e o sentido das correntes. 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.
Rotor de pólos lisos. À esquerda temos detalhes das ranhuras do rotor de um turbogerador. À direita, um desenho esquemático mostrando o rotor de pólos lisos e as linhas de campo percorrendo seu caminho magnético. 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.
Exemplo do estator de um motor síncrono.Observe-se as cabeças das bobinas de campo como estão escamoteadas para fora do corpo estatórico. Exemplo de uma lâmina estatórica. A sua montagem circular formará o núcleo magnético do estator. 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.
Alguns especialistas colocam o sistema de isolação como o principal elemento de uma máquina elétrica. Seu funcionamento é fundamental no desempenho e nas características de funcionamento de uma máquina elétrica. Um sistema de isolação precário compromete não só o funcionamento da mesma como também o sistema de alimentação de energia como um todo.Existem diversos materiais de isolação que suportam altas temperaturas sem perder suas principais características de isolação, como por exemplo o papel Kraft, o MYLAR® e o NOMEX® da DuPont. Exemplo de aplicação do NOMEX® nas ranhuras de um motor. Observe-se que ele isola completamente os fios da bobina em relação ao anel estatórico.
ENROLAMENTO AMORTECEDOR Como já vimos, uma máquina elétrica possui dois enrolamentos básicos, um conjunto de enrolamentos do estator e um conjunto de enrolamentos do rotor. Existe ainda um terceiro enrolamento colocado no rotor na máquina síncrona de pólos salientes, formado por barras, em geral de cobre, que estão curto-circuitadas através de dois anéis como se fosse uma gaiola de esquilo e inseridas em ranhuras feitas na superfície dos pólos. Este enrolamento especial chamamos de enrolamento amortecedor. Sua função é a de amortecer oscilações de conjugado-mecânico do rotor que poderiam provocar quebras de sincronismo e causar a saída da máquina, uma vez que fora do sincronismo esta deixa de produzir torque útil. Além disso, o enrolamento amortecedor pode reduzindo sobretensões momentâneas, auxiliar na sincronização quando ocorre alguma falha na máquina ou no sistema ao qual ela está ligada etc. Quando a máquina está como motor, este enrolamento permite a partida dela como motor, funcionando como se fosse um motor de indução normal Desenho esquemático dos pólos salientes de um rotor. Repare-se nos detalhes das barras amortecedoras na cabeça dos pólos,curtocircuitadas por um par de anéis. Fotografia de um rotor que mostra, no detalhe, as barras amortecedoras.
CONCEITOS ELEMENTARES Para o bom entendimento das características e das funcionalidades das máquinas elétricas, necessário se faz apresentar alguns conceitos elementares que ajudarão a entender tais características e o funcionamento. TORQUE OU CONJUGADO O torque, também chamados de momento ou binário, é a medida do esforço necessário para girar um eixo qualquer. Por definição, torque é o produto da força aplicada, em newtons,pela distância perpendicular entre o eixo de rotação e o ponto de aplicação desta força. A figura ajuda a entender melhor esta definição. O desenho mostra que se aplicarmos uma força F tangencial à roda, de raio r, teremos um torque desenvolvido sobre a roda em seu eixo axial. O torque ζé dado por: Onde: ζ = Torque, em N.m F = Força tangencial, em newton r = raio, em metros.
Exemplo Um motor desenvolve um torque inicial de 350 Nm. Se a polia que está engastada no seu eixo tem um diâmetro 1,5 m, calcule a força de frenagem necessária para evitar a rotação do motor. Resposta 1,5m Nm TRABALHO MECÂNICO O trabalho mecânico existe sempre que uma força ´F´ aplicada sobre um corpo provoca um deslocamento ´d´ na mesma direção de F.
O trabalho mecânico W é dado por: Onde: W = Trabalho, em joule F = Força, em newton d = deslocamento, em metros Exemplo Uma massa de 45 kg foi erguida a uma altura de 15 metros. Calcule o trabalho realizado. Resposta N J 15 m POTÊNCIA MECÂNICA A potência mecânica é o trabalho mecânico realizado numa determinada quantidade de tempo. A unidade da potência mecânica, no sistema internacional SI, é o watt W.
Onde: W= Trabalho mecânico, em joule t = tempo, em segundos. Exemplo Um motor elétrico ergue uma carga de 50 kg a uma altura de 20 metros em 7 segundos. Calcule o trabalho mecânico realizado e a potência mecânica entregue pelo eixo do motor. Solução e Joules 20 m watts Usualmente, a potência mecânica pode ser expressa em cavalo-vapor CV ou em horse-power HP. Desta forma, a relação com a potência em watt é: e
Assim a potência mecânica no eixo do motor para o exemplo anterior seria, ou Se analisarmos as equações anteriores verificamos que: A parcela d/Δt na verdade é a velocidade com que o deslocamento do corpo ocorre Se supormos que no exemplo anterior o eixo do motor contivesse uma polia de raio ´r´, girando a ´n´ RPM, teríamos uma velocidade tangencialvna polia definida como: Como e para rotações por minuto então daqui Onde: v = velocidade tangencial, em m/s n = numero de rotações por minuto RPM r = raio da polia, em metro
Neste caso, teremos para a potência mecânica Pmeca seguinte expressão: Exemplo Um motor elétrico ergue uma carga de 50 kg a uma altura de 20 metros em 7 segundos,se o motor tem uma polia com Ø = 12 cm no seu eixo, qual seria a rotação ideal para subir a carga no tempo prescrito ? Solução: A velocidade de subida da carga é igual a velocidade tangencial da corda na polia m/seg RPM
POTÊNCIA ELÉTRICA Um sistema elétrico compostos por cargas passivas, resistores, capacitores e indutores,acoplado a uma fonte de tensão variável v(t), faz circular uma corrente i(t) também variável. Como sabemos, a potência instantânea num sistema elétrico é dado por: W Pela convenção de sinais, uma potência com sinal positivo corresponde a uma transferência de energia da fontepara a carga. Para uma potência com sinal negativo ocorre o inverso, ou seja, um retorno de energia da cargapara a fonte. No caso de uma carga puramente indutiva, uma tensão senoidal, aplicada à carga resulta numa corrente senoidal atrasada de 90º, ou Logo, a potência elétrica instantânea passa a ser:
CIRCUITO RESISTIVO R V V I I Potência Ativa P
CIRCUITO INDUTIVO L I V I V Potência reativa
CIRCUITO CAPACITIVO C V I Potência reativa
CIRCUITO MISTO R L C V I Potência Aparente Potência Ativa P Q Potência Reativa
Se analisarmos a figura veremos que no intervalo entre 0< ωt < π/2, a potência p(t) é positiva, pois a tensão e a corrente tem os mesmos sinais e portanto a fonte está entregando potência para a carga. No intervalo π/2 < ωt < π a potência é negativa,tensão e corrente tem sinais contrários e aí a carga fornece potência à fonte. Nesta fase, significa que a carga indutiva está descarregando sua energia armazenada na fase anterior. Observe-se que neste um ciclo de 0 a π a potência média é zero. Gráfico de tensão e corrente senoidal. Em vermelho a potência instantânea. Repare-se que a potência possui o dobro da freqüência da corrente. No caso mais geral, a carga ligada à fonte tem uma impedância Z = R +jX ou Z = |z|. /θ, onde θé o ângulo entre os vetores R e X, dado por arctg (X/R). Neste caso, uma tensão v(t)= Vmax. cos(ωt)aplicada nesta carga resulta numa corrente i(t)= Imax. cos(ωt - θ), onde θ pode ser positivo ou negativo, correspondendo à impedância equivalente indutiva ou capacitiva.
Temos Como sabemos que o produto da tensão eficaz Vef pela corrente eficaz Ief é a Potência Aparente S. Então, temos que: Neste caso, a potência eficaz de um circuito qualquer é o que chama-se de POTÊNCIA ATIVA. Ao fazer uma relação de potências entre P e S veremos que isto dá o que chama-se de fator de potênciaFP: FATOR DE POTÊNCIA Portanto, o fator de potência é dado pela relação dentre a potência média potência Ativa P e a potência Aparente S. Para um circuito trifásico qualquer, a potência aparente é a soma das potências aparentes de cada fase, ou seja: Entretanto, como os sistemas trifásicos são ligados em delta Δ ou estrela Y, as tensões e correntes são calculadas pelas suas tensões de linha ou corrente de linha. Neste caso, a potência aparente passa a ser calculada por:
RENDIMENTO DOS MOTORESή Um motor elétrico absorve energia elétrica da rede e a transforma em energia mecânica disponível no eixo. O rendimento desta máquina define a eficiência com que é feita esta transformação. Seu cálculo é dada pela relação entre a potência útil entregue ao eixo potência mecânica e a potência ativa retirada da rede potência elétrica: RELAÇÃO ENTRE TORQUE OU CONJUGADO E POTÊNCIA Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência desenvolvida depende do Torque ζe da velocidade de rotação n. As relações entre si são: Newtons metro [Nm] Onde: P =Potência em watts ω=Velocidade angular em Radianos/segundo ζ = Torque em Newtons metro Com a rotação n em rotações por minuto RPM, em Rad/seg
Assim: Como, Pode-se demonstrar que cos(2ωt – θ) tem um valor médioigual a zero. Portanto, : Esta é a potência médiapara qualquer θ. Portanto: Como e
Se a potência do motor está em CV e a rotação em RPM, A fração daqui Se a potência do motor está em kW e a rotação em RPM, A fração daqui
A potência então relaciona-se com o torque, O torque em Nm e ω em Rad./seg →P resultará em Watts CV kW EXEMPLO Calcular o torque nominal de um motor de 10CV e 1750 RPM Nm Nm Nm
ENERGIA CINÉTICA DE ROTAÇÃO E MOMENTO DE INÉRCIA A queda de uma pedra ou o movimento de um carro possuem ambos energia cinética,que é a energia devido ao movimento. A energia cinética é uma forma de energia mecânica e é dada pela equação : onde: Ec = energia cinética, em Joule (J) m = massa do corpo, em kg v = velocidade do corpo, em m/s Um corpo em rotação também possui energia cinética. Sua magnitude depende também da velocidade de rotação e da massa corporal. Só que neste caso, a forma do corpo influencia diretamente no resultado. Para se determinar a energia cinética de um corpo em rotação, usa-se a equação : onde: n = Velocidade rotacional, em RPM J = Momento de inércia, em kg.m²
O momento de inércia J, ou simplesmente "inércia" depende da massa e do formato do corpo, geometria para ser determinado. A relação a seguir mostra algumas formas geométricas mais comuns para se determinar sua inércia. Caso o corpo tenha uma estrutura mais complexa, segmenta-se esta estrutura em estruturas mais conhecidas, conforme a relação anterior. O momento de inércia total será a soma dos momentos de inércia de cada corpo. Massa m que gira a uma distância r ao redor de eixo o Eixo de giro Disco sólido de massa m e rádio r
Anel anular de massa m que tem uma seção retangular Barra de massa m que gira no seu centro Barra retangular de massa m que gira ao redor do eixo O
A inércia é um parâmetro importante das máquinas elétricas girantes daí a necessidade da sua melhor compreensão Exemplo Um disco sólido de 1400 kg, diâmetro de 1,0 metro e espessura de 22,5 cm, gira a 1800 RPM ininterruptamente. Determine seu momento de inércia e a energia cinética do corpo. Resposta O momento de inércia do corpo com esta estrutura é calculada por: kgm² E a energia cinética é então: MJ O SISTEMA POR UNIDADE p.u.NAS MÁQUINAS ELÉTRICAS Muito freqüentemente, os cálculos relativos a máquinas, transformadores e sistemas de potência são efetuados em forma de "por unidade" pu, ou seja, todas as quantidades envolvidas num cálculo serão expressas como frações decimais de valores de base convenientemente escolhidas. Portanto, todos os cálculos serão efetuados em pu, em lugar dos usuais volts, ampéres, ohms, watts, etc.
Há duas vantagens neste sistema. Uma é que as constantes de máquinas e transformadores caem numa faixa numérica razoavelmente estreita quando expressas em pu. A outra é que este método de realizar os cálculos permite a ter uma concreta sensação da ordem de grandeza do parâmetro, o que ajuda muito na hora de emitir um juízo sobre um determinado comportamento da máquina. Todas as grandezas como tensão, corrente, impedância, reatância, etc podem ser transformadas em pu. Isto se dá da seguinte forma, que já foi visto: EXEMPLOS Dado um valor de tensão-base = 110 V, quais são os valores pu para as seguintes tensões: p.u. p.u. p.u. p.u. p.u p.u.
Dado IBASE = 10 A, determine os valores reais das as seguintes correntes
