4 Maq Girant Introd

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MÁQUINAS ELÉTRICAS 
GIRANTES
Parte 2
INTRODUÇÃO
Máquinas elétricas são máquinas destinadas a transformar a energia 
elétrica em energia mecânica e vice-versa. 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.
INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO
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.
Introdução
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.
Fotografia de um motor de indução trifásico, em corte para mostrar suas partes internas.
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.
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.
ROTORROTOR
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 rotaçãoadvém 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. 
ESTATOR
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.
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