Máquinas Elétricas Rotativas: Tipos, Construção e Operação

Tipos e Componentes Construtivos

Tipos de Máquinas Rotativas

As máquinas rotativas dividem-se em: geradores e motores.

Elementos Construtivos Principais

• Estator
• Rotor
• Carcaça
• Tampa
• Rolamentos
• Caixa de terminais
• Suporte/Fixação
• Ventilação

Estator

Possui um circuito magnético laminado, com ranhuras alinhadas axialmente e igualmente espaçadas na face interna, podendo ser do tipo aberto ou semiaberto. O enrolamento do estator é constituído por 3 circuitos elétricos distintos, com todos os 6 terminais reunidos na caixa de terminais. Numa máquina com um par de polos, os eixos dos enrolamentos distanciam-se de 120 graus geométricos.

Rotor

Tem um circuito magnético laminado e ranhurado axialmente na face externa. O circuito elétrico do rotor pode ter duas soluções construtivas:

1. Em Curto-Circuito: Do tipo gaiola de esquilo.
2. Bobinado: O enrolamento trifásico tem uma técnica de fabrico semelhante à do estator (sendo bobinado com igual número de pares de polos). Os seus terminais são ligados a 3 anéis que permitem a ligação ao enrolamento a partir do exterior (3 escovas fixas atritam sobre eles).

Carcaça

Em motores de pequena/média dimensão, é fabricada em ferro fundido ou alumínio injetado. Em motores de grande porte, pode ser feita em estrutura soldada. A carcaça:

• Envolve o estator, geralmente com tampas nas extremidades que podem funcionar como elementos de apoio do veio.
• Protege o motor em relação ao exterior.
• Auxilia na transmissão de calor para o exterior.
• Pode integrar patas ou flange para fixação.

Ventilação

Motores Autoventilados: Usam uma ventoinha montada sobre o veio, associada a defletores de ar. O ar circula ao longo do motor ou em canais. Normalmente, a carcaça possui alhetas de refrigeração.

Existem também motores com sistema autónomo de refrigeração, habitualmente usados em máquinas de maior porte, contendo um ou mais ventiladores com motores independentes.

Princípios de Funcionamento

Quando alimentado com um sistema trifásico simétrico de tensões, o enrolamento do estator cria um campo magnético girante na máquina, que roda a uma velocidade de sincronismo:

N_s = (f/p) x 60 r/min

Este campo atua sobre os enrolamentos rotórico e estatórico, induzindo neles uma Força Eletromotriz (FEM) que, pelo facto de o enrolamento se encontrar fechado, origina a circulação de corrente rotórica.

Velocidade e Deslizamento

Apesar das perdas mecânicas e outras no rotor, a velocidade de rotação de um motor é sempre ligeiramente menor que a velocidade de sincronismo, resultando num deslizamento em relação ao campo girante do estator. Assim, o motor desenvolve torque motor em todas as velocidades de rotação, exceto na velocidade de sincronismo.

• Quando o rotor atinge a velocidade de sincronismo ($n=n_s$), não ocorre indução de FEM nem correntes no rotor, resultando em torque motor nulo.
• Fora do sincronismo ($n eq n_s$), as correntes no rotor criam um campo magnético girante adicional.

Produção de Binário

O binário produzido depende das Forças Magnetomotrizes (FMMs) estatórica e rotórica e do ângulo que formam entre si. O campo magnético resultante é responsável pela indução da FEM rotórica e estatórica.

O campo magnético girante rotórico roda sempre em sincronismo com o campo girante estatórico, ainda que atrasado relativamente a ele por um determinado ângulo: o ângulo de binário. Isto ocorre porque os números de pares de polos do rotor e do estator são iguais.

O motor de indução trifásico desenvolve binário a todas as velocidades, exceto à velocidade de sincronismo.

Simplificações no Estudo de Motores de Indução Trifásicos (MIT)

• Alimentação trifásica sinusoidal e equilibrada.
• Motor com construção simétrica, com enrolamentos trifásicos no estator e no rotor.
• Número de pares de polos do estator e do rotor iguais.
• Saturação e histerese magnéticas desprezadas.
• Distribuição sinusoidal do fluxo magnético no entreferro.

O MIT é frequentemente visto como um Transformador Generalizado, pois realiza uma transformação de FEMs e de frequências.

Modelização do Motor de Indução

r₀

Resistência das perdas no ferro do motor, por fase.

x_m

Reatância de magnetização.

r₁ e r₂

Resistências do estator e do rotor, respetivamente.

x₁

Reatância de fugas do estator.

x₂

Reatância de fugas do rotor.

E₁

FEM estatórica.

E₂

FEM rotórica.

P_mec

Potência mecânica desenvolvida pelo motor.

Máquinas de Indução (Assíncronas)

Ao aumentar a resistência rotórica, reduz-se a corrente de arranque.

Deslizamento (s) e Modos de Operação

• s = 0: Velocidade de sincronismo.
• s = 1: Motor parado.

Características dos Modos de Operação

MOTOR

O rotor roda no sentido do campo girante, a uma velocidade inferior à de sincronismo. A máquina absorve energia da rede elétrica (ativa e reativa), desenvolve potência mecânica e o binário é motor.

GERADOR

O rotor roda no sentido do campo girante, a uma velocidade superior à de sincronismo. A máquina absorve potência mecânica, fornece energia elétrica ativa à rede e o binário é resistente.

FREIO (Travagem)

O rotor roda no sentido contrário ao do campo girante. A máquina absorve potência mecânica (que retira à energia cinética das massas em movimento), absorve energia elétrica ativa e reativa da rede e o binário é resistente.

Para parar um motor, basta trocar um par de fases. O fator de potência e o rendimento são baixos para cargas baixas, devendo-se evitar a exploração de MIT (Máquinas de Indução Trifásica) em regimes de carga baixa.

Influência da Resistência Rotórica (r₂)

O valor de r₂ (resistência rotórica) influencia significativamente as características do motor de indução trifásico. O seu aumento provoca:

• Aumento do binário de arranque (Vantagem).
• Diminuição da corrente de arranque (Vantagem).
• Diminuição do rendimento (Desvantagem).

Rotor em Gaiola de Esquilo

A definição de r₂ deve resolver o compromisso entre as vantagens do seu aumento e os respetivos inconvenientes.

Rotor Bobinado

r₂ pode ser baixo porque a resistência do circuito rotórico pode ser modificada, no arranque, recorrendo a um reóstato externo.

Influência das Reatâncias de Fugas (x₁, x₂)

O aumento excessivo das reatâncias de fugas afeta as características do motor, nomeadamente:

• Contribuem para a diminuição de T_máx (binário máximo) e de T_a (binário de arranque).
• Prejudicam, baixando, o fator de potência do motor.

Influência da Resistência Estatórica (r₁)

O aumento da resistência estatórica é, sobretudo, penalizador do rendimento do motor e do binário por ele desenvolvido.

Motor Gaiola Dupla

Utilizam um rotor com duas gaiolas rotóricas:

• A gaiola exterior é de baixa secção, possuindo uma resistência elevada.
• A gaiola interior é de secção normal, possuindo uma baixa resistência.

À frequência nominal, a reatância de fugas da gaiola interior é bastante menor do que a da gaiola exterior. A impedância da gaiola exterior é mais baixa que a da gaiola interior.

Operação do Motor Gaiola Dupla

Para o Arranque ($s=1; f_2 = f_1$)

O motor apresenta características de um motor com elevada resistência rotórica, possuindo um elevado binário de arranque e uma corrente de arranque moderada.

Para o Funcionamento Normal ($s$ baixo; $f_2$ muito baixa)

O motor apresenta características de um motor com baixa resistência rotórica, resultando num bom rendimento e funcionamento com baixo deslizamento.

Principais Características do Motor Gaiola Dupla

• Binário de arranque elevado.
• Corrente de arranque baixa.
• Binário máximo bom.

Sentido de Rotação e Arranque do MIT

O rotor segue o campo girante do estator. A sequência de fases da alimentação impõe o sentido de rotação do campo girante estatórico. Para trocar o sentido de rotação de um MIT, basta trocar um par de fases com o motor parado.

Metodologias de Arranque Convencionais

1. Arranque direto.
2. Com autotransformador.
3. Com impedância estatórica.
4. Estrela-triângulo.
5. Com reóstato rotórico (apenas para motores de rotor bobinado).

Metodologias Alternativas de Arranque

Incluem o arranque suave, com recurso ao sistema de controlo de velocidade.

Arranque Direto

Com o motor imobilizado, é subitamente alimentado com tensão nominal de frequência nominal.

Variação e Controlo de Velocidade do MIT

Soluções em Desuso

A solução Embraiagem + Caixa de Velocidades está em desuso por ser economicamente pouco viável, exigir elevada manutenção e ser pouco versátil (não permite controlar a velocidade). A atuação no motor elétrico resolve todos os problemas da solução anterior.

Métodos para Variação/Controlo de Velocidade

1. Variação ou controlo de deslizamento.
2. Variação ou controlo de frequência ($f$).
3. Variação do número de pares de polos.

Controlo de Velocidade Através da Frequência de Alimentação

• As características mecânicas de binário deslocam-se quase paralelamente (zona estável).
• Para um mesmo binário, a variação de velocidade é quase diretamente proporcional à variação da frequência.
• O binário de arranque aumenta.
• T_máx mantém-se, aproximadamente.
• O arranque pode ser realizado, conseguindo-se um binário de arranque elevado.
• Ampla liberdade de regulação de velocidade.

Esta frequência é variada com sistemas conversores eletrónicos, como o retificador-inversor.

Máquinas Síncronas

As máquinas síncronas são importantes para a geração e controlo da frequência na rede elétrica.

Modos de Funcionamento

Possuem 3 modos de funcionamento:

1. Motor
2. Gerador (Alternador)
3. Compensador (Compensa a frequência)

Características Gerais

• Construtivamente, são diferentes das MIT, sobretudo no rotor.
• A velocidade é síncrona e depende do número de polos.
• A velocidade é fixa, independentemente da condição de carga e do fator de potência.

Saída de Sincronismo

A saída de sincronismo ocorre quando:

• A tensão de alimentação é insuficiente.
• O motor entra em sobrecarga.
• A tensão de excitação é deficiente.

Nestas condições, a máquina para.

Alternador (Gerador Síncrono)

O alternador ou gerador síncrono é utilizado para fornecimento de eletricidade em condições síncronas. O motor síncrono é utilizado para garantir movimento mecânico síncrono com carga variável.

Tipos de Rotor em Máquinas Síncronas

O rotor distingue-se por ter enrolamentos com polos salientes ou polos lisos (o entreferro é diferente entre eles).

Polos Salientes

• Tipicamente usados em geradores hídricos (baixas velocidades de rotação: 250 a 500 rpm).
• Maiores vibrações e variações devido ao entreferro não-uniforme.
• Diâmetro grande, comprimento pequeno.
• Eixo vertical.

Polos Lisos

• Tipicamente usados em turbinas a vapor ou gás (elevadas velocidades de rotação: 1500 a 3000 rpm).
• Menores vibrações e variações, dado o entreferro uniforme.
• Diâmetro pequeno, comprimento grande.
• Eixo horizontal.

Arranque de Máquinas Síncronas

As máquinas síncronas são duplamente excitadas para a criação do campo magnético. Estas máquinas não são tipicamente autoarrancáveis e requerem meios externos para o seu arranque, pois não desenvolvem binário de arranque e não têm capacidade de sincronização imediata.

Métodos de Arranque

1. Auxílio de Outro Motor: Acoplado a outro motor para iniciar a máquina síncrona.
2. Síncrono: Usa uma fonte de alimentação alternada com frequência variável para aumentar a velocidade até a sincronização e depois reduzir a frequência.
3. Assíncrono: Utiliza a estrutura do motor como uma gaiola para arranque, similar ao motor de indução. Ao atingir a velocidade de sincronismo, o motor continua girando por conta própria.
4. Assíncrono-Síncrono.

Sistemas de Excitação

• Excitatriz
• Sem escovas
• Estático