Alguns aspectos básicos das máquinas síncronas - rotores

As máquinas síncronas recebem esse nome porque nelas a velocidade de rotação do rotor é proporcional à frequências das tensões induzidas na armadura. Sendo f1 a frequência (Hz), p o número de pólos da máquina e Ns a velocidade do rotor, também denominada "velocidade síncrona", teremos a seguinte relação: Ns = 120f1/p.

Nos geradores síncronos comerciais, a frequência é fixa. No Brasil e em boa parte das Américas, a frequência comercial padrão é 60 Hz. Assim, teremos Ns = 7.200/p.

Se a máquina for de velocidade elevada, como no caso dos turbogeradores (vapor ou gás natural), o número de pólos deverá ser baixo (2 ou 4). Já no caso de máquinas de baixa velocidade, como no caso dos hidrogeradores, o número de pólos é elevado (geralmente mais de 10).

No caso dos turbogeradores, dá-se preferência à construção do rotor em forma de um cilindro. Dizemos então que o rotor é de "pólos lisos" ou de "pólos cilíndricos". Nesse caso, o enrolamento do campo do rotor (DC) é alojado em ranhuras construídas sobre a própria superfície do rotor, conforme mostrado abaixo (clique sobre a figura para ampliá-la).

No caso dos hidrogeradores, é muito mais comum que se adote a construção em "pólos salientes". Em vez de se construir os enrolamentos de campo na superfície do rotor, eles são montados em sapatas polares, as quais são fixadas ao rotor, formando saliências. Os aspecto final é bastante compacto, conforme mostrado abaixo.

Em ambos os casos, é necessário injetar corrente contínua no rotor, o qual aloja os enrolamentos de campo, de forma a excitar a máquina. Um dos tipos de excitação mais utilizados atualmente é excitação estática, fornecida por uma "excitatriz estática". Este equipamento nada mais é do que um retificador controlado, alimentado com corrente alternada, a partir da rede ou do próprio gerador e capaz de entregar corrente contínua ao rotor, a qual é injetada no campo do rotor por meio de dois anéis deslizantes, conforme mostrado na figura abaixo.

A grande vantagem da excitatriz estática, além da ausência de partes móveis, é a grande rapidez de resposta. As excitatrizes eletromecânicas, por outro lado, dispensam anéis deslizantes, pois são montadas sobre o próprio eixo do rotor, mas respondem mais lentamente a variações da necessidade de excitação.

Terceira aula - S21/S22 - 09/08/07

Nesta terceira aula das turmas S21 e S22, o conteúdo coberto foi o seguinte:

a) Finalizamos a apresentação sobre geradores síncronos (2,7 Mbytes), incluindo comentários sobre a diferença entre "ângulos elétricos e ângulos mecânicos".

b) Apresentamos as principais características das máquinas síncronas, incluindo a diferença entre enrolamentos de armadura e de campo.

c) Falamos sobre os fundamentos de geração de corrente alternada.

Hoje, sexta-feira, 10/agosto, a aula será dada excepcionalmente às turmas S21 e S22, em conjunto. A sala provavelomente será a M-105 e o assunto abordado será "tensão induzida em bobinas de passo pleno e de passo fracionário".

Nada melhor do que quatro aulas de máquinas para encerrar a semana!

Campos Girantes 1

Nossa primeira prática de laboratório, para as turmas S01, S21 e S22, envolve "Campos Girantes", que são campos magnéticos produzidos por estatores polifásicos. O princípio do campo girante foi patenteado por Nikola Tesla em 1888 e é essencial para o funcionamento dos motores síncronos trifásicos e dos motores de indução trifásicos.

Quando um campo magnético girante é produzido, qualquer material magnético colocado no interior do estator entrará em rotação. Por exemplo, podemos construir um rotor com ímãs permanentes, que tenderá a acompanhar o campo girante do estator, girando no mesmo sentido e velocidade. Nesse caso, teremos um motor síncrono.

O rotor também pode ser um circuito elétrico fechado, construído com metais não ferromagnéticos (cobre, alumínio, etc). Nesse caso, o campo girante do estator induzirá correntes elétricas no rotor, que é eletricamente fechado. As correntes induzidas no rotor produzirão um campo magnético próprio, que reagirá com o campo do estator, dando origem a rotação. Nesse caso, teremos um motor de indução. Para que as correntes sejam induzidas no rotor, é necessário que este gire um pouco mais devagar do que o campo girante do estator. Por causa desse fato, o motor de indução é também denominado motor assíncrono, pois o rotor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona do campo do estator (Ns).

O vídeo abaixo mostra um experimento interessante, onde um ovo metálico (alumínio? aço?) é posto a girar em presença do campo magnético girante produzido por uma espécie de estator. No final do vídeo aparecem as fotografias de Tesla e de Thomas Alva Edison, dois dos principais personagens da chamada guerra das correntes (Tesla era partidário da geração e distribuição de energia em corrente alternada, enquanto Edison era partidário da corrente contínua).




O segundo vídeo mostrado abaixo é ainda mais interessante. O professor usou seis barras de ferro para construir um estator AC. A montagem não é muito clara e não dá para ter certeza se o estator é bifásico ou trifásico, mas o princípio de funcionamento é semelhante. O rotor é uma simples lata metálica vazia. Embora a dispersão de fluxo seja enorme, a montagem funciona bastante bem.




Esse assunto será abordado com mais detalhes nas aulas de teoria. Por enquanto, uma boa referência é o livro "Máquinas Elétricas", de Fitzgerald et al, seção 3-4, pag. 160 (essa é a numeração da edição de 1975; na edição de 2006, talvez a numeração seja outra). Outra referência interessante é o livro do Del Toro, "Fundamentos de Máquinas Elétricas", seção 4-1, pag. 136.

Segunda aula - S01 - 06/08/2007

O conteúdo coberto nesta segunda aula da turma S01 foi:

a) Finalização da apresentação sobre geradores síncronos (2,7 Mbytes)

b) Apresentação sobre usinas hidrelétricas (3,5 Mbytes).

c) Dedução da expressão da tensão induzida em uma bobina de passo pleno.

d) Realização da primeira prática de laboratório: "Campos Girantes". Entrega do relatório: 20/08. Tamanho máximo: 5 páginas.

Segunda aula - S21/S22 - 03/08/2007

Ontem, sexta-feira, ao chegar ao DAELT, por volta das 19h, descobri que nossa turma estava convocada para assistir às palestras do ciclo de seminários do II Curso de Especialização em Eficiência Energética na Indústria. Infelizmente, não fui avisado com mais antecedência e, como também sou professor desse curso, não pude recusar.

Devido ao imprevisto, será necessário reformular parte do cronograma, coisa que ainda não fiz, mas a data da primeira prova fica mantida.

Primeira aula - S21/S22 - 02/08/07

Começamos a primeira aula das turmas S21 e S22 com a presença de 22 alunos dos 28 matriculados. Nada mau para uma quinta-feira não muito quente. Como no caso da turma S01, os principais assuntos abordados foram:

a) Aspectos administrativos da disciplina de Conversão II (sistema de avaliação, sistema de provas, atividades de laboratório, datas das avaliações, exercícios, etc). As provas das turmas S21 e S22 serão realizadas nas seguintes datas:

• 1°TE - 13/09/2007
• 2°TE - 25/10/2007
• 3°TE - 07/12/2007
• Exame Final - 13/12/2007
  

b) Foi distribuído a todos o "Manual de Instruções" da disciplina.

c) Cobrimos a primeira metade da apresentação "Geradores Síncronos" (2,7 Mb).

d) Ficou decidido, de maneira unânime, que não faremos intervalo nas aulas de quinta-feira. Em vez disso, iniciaremos as aulas às 20h20 e encerraremos às 22h30. Naturalmente, eu permanecerei na sala até as 22h50, para tirar dúvidas ou coisa parecida.

e) A aula de amanhã, sexta-feira, 3/agosto, será teórica e valerá para as turmas S21 e S22, conforme cronograma.

Manual de Instruções de Conversão II - Turmas S21 e S22

O Manual de Instruções de Conversão Eletromecânica II, com o cronograma para as turmas S21 e S22, já está pronto e disponível. Clique aqui para acessá-lo.