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CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA
PRÉ AULA 6
Introdução às máquinas AC e CC - Conceitos elementares:
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 e 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 qual 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.
Na foto um motor trifásico em corte:
Um 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.
Polos Salientes:
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 levado, 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.
Polos Lisos:
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
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. Alguns especialistas colocam o sistema de isolação como o principal
elemento de uma máquina elétrica.
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 estáligada etc. Quando a máquina
está como motor, este enrolamento permite a partida dela como motor, funcionando como se
fosse um motor de indução normal.
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.
Uma maneira prática de se definir o conceito de troque é “tendência de giro”.
O torque é dado por:
 = F.r
Onde:  = toque em Nm;
F = força em N;
r = raio em m.
TRABALHO
O trabalho é dado por:
W = F . d
Onde: W = trabalho em J;
F = força em N;
d = distancia em m. Curva de torque típica de um motor de indução
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.
Pmec = W .
t
Onde: Pmec = potencia mecânica em W;
W = trabalho em J;
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.
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: 1CV = 736W e 1HP = 746W.
Assim a potência mecânica no eixo do motor para o exemplo anterior seria,
Se analisarmos as equações anteriores verificamos que:
A parcela d/t na verdade é a velocidade com que o deslocamento do corpo ocorre.
Se supormos que no exemplo anterior o eixo do motor de raio “r” contivesse uma polia girando a
“n” RPM, teríamos uma velocidade tangencial “v” na polia definida como:
v = . r
Como 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;
Então Pmec será:
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 12 cm no seu eixo, qual seria a rotação ideal para subir a carga no
tempo prescrito?
POTENCIA x ROTAÇÃO x TORQUE
Se a potência do motor está em CV e a rotação em RPM:
A fração: Resulta em:
Então temos:
Se a potência do motor está em kW e a rotação em RPM:
A fração: Resulta em:
Então temos:
MOTORES CC
As máquinas de corrente contínua, motores ou geradores, compõe-se, na grande maioria, e um
Indutor de polos salientes, fixo à carcaça (estator) e um induzido rotativo semelhante ao indutor
das máquinas síncronas de polos salientes fixos e induzido rotativo.
Curva de torque por rotação do motor de corrente contínua para ligação série:
Devido a sua construção o motor de correte contínua pode ter várias ligações entre os
enrolamentos de campo (estator) e induzido (armadura):
Caracterização dos dados nominais: 
 nome elou marca do fabricante, 
 modelo atribuído pelo fabricante 
 número de série elou código da data de fabricação; 
 denominação principal do equipamento (ex.: "motor de indução"); 
 número de fases; 
 designação da carcaça da máquina, conforme norma utilizada. 
 grau de proteção proporcionado pelo invólucro (IP-XX); 
 classificação térmica (isolação); 
 regime de serviço; 
 potência nominal. 
 tensão(ôes) nominal(ais) (diagrama de ligações para máquinas de corrente alternada); 
 frequência nominal (para máquinas de comente alternada); 
 velocidade de rotação nominal; 
 fator de potência nominal (para máquinas de corrente alternada); 
 categoria (para máquinas de corrente alternada); 
 fator de serviço.