MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: CONCEITOS BÁSICOS

CAPÍTULO I

MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS: CONCEITOS BÁSICOS

1) CONCEITOS ELEMENTARES

As máquinas elétricas rotativas são equipamentos destinados a converter energia mecânica

em energia elétrica, ou vice-versa. No primeiro caso elas recebem o nome de motores elétricos e, no

segundo, geradores elétricos. O processo de conversão se realiza por meio dos fenômenos estudados

e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo:

• Lei da indução eletromagnética, Lenz-Faraday

• Lei do circuito elétrico, lei de Kirchhoff

• Lei circuital do campo magnético, lei de Ampére

• Lei da força atuante sobre condutor situado em um campo magnético, lei de Biot-Savart

As máquinas elétricas são projetadas e construídas de forma tal a realizarem com a máxima

facilidade e eficiência possíveis o processo de conversão. Elas possuem, basicamente duas partes:

uma parte que é fixada ao solo ou a alguma outra superfície, chamada de estator e uma parte móvel

montada sobre um eixo, alojada no interior do estator de forma a permitir sua rotação, chamada

rotor.

O que distingue uma máquina elétrica na sua operação como motor ou gerador é o sentido

do percurso da energia através dela: no gerador, energia mecânica “entra” na máquina pelo eixo do

rotor, atravessa, por meio do fluxo magnético, o espaço estreito existente entre o rotor e o estator

chamado entreferro, é convertida em energia elétrica e “sai” pelos terminais do estator. No motor

elétrico é exatamente o contrário: energia elétrica “entra” na máquina pelos terminais do estator,

atravessa o entreferro, é convertida em energia mecânica disponível no eixo do rotor. Assim, uma

primeira e importante qualidade das máquinas elétricas rotativas é que uma mesma máquina pode

operar como motor ou como gerador.

Quanto à natureza da corrente, as máquinas elétricas podem ser de corrente contínua (CC)

ou de corrente alternada (CA). Os campos de aplicação dessas máquinas são distintos como será

mostrado posteriormente, mas os princípios que governam os seus desempenhos são os mesmos,

havendo apenas algumas particularidades de natureza construtiva que as diferenciam.

A lei de Lenz-Faraday,

dt

e d

λ

= − , descreve, sob os pontos de vista quantitativo e de sentido,

a indução de tensões produzidas por um fluxo magnético que varia no tempo. A conversão eletromecânica

da energia ocorre quando a variação do fluxo magnético é provocada por um movimento

mecânico rotativo. Nas máquinas elétricas rotativas, as tensões são induzidas em grupos de bobinas

que estão ligadas entre si segundo uma determinada ordem, formando os enrolamentos, basicamente,

de três maneiras:

1ª) Fazendo girar um campo magnético constante (imã permanente ou criado por corrente

contínua) de forma que as linhas de força do campo enlacem as bobinas. O enrolamento

se encontra montado na parte fixa da maquina denominada armadura ou estator e o fluxo

magnético é criado na parte rotativa denominada rotor. Os geradores síncronos são

exemplos típicos desta montagem.

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2ª) A armadura e o seu enrolamento giram, enquanto o campo magnético constante produzido

por imã permanente ou por corrente contínua é montado na parte fixa da máquina.

O enrolamento da armadura é enlaçado no seu movimento rotativo pelas linhas de força

do fluxo magnético. As máquinas de corrente contínua são construídas segundo esse

modelo.

3ª) O enrolamento da armadura está montado no estator e é alimentado por corrente alternada

capaz de criar um campo girante no espaço. O fluxo desse campo enlaça o enrolamento

montado no rotor, nele induzindo tensões e correntes. As máquinas de indução

constituem o exemplo típico desta montagem.

Tanto as bobinas da armadura quanto as do rotor são enroladas sobre núcleos de ferro que

reduzem a relutância magnética ao fluxo que as enlaça. Devido ao ferro da armadura ser submetido

também às variações do fluxo magnético, nele, por sua vez, são induzidas correntes que não contribuem

para o desempenho da máquina, pelo contrário, são perdas que aquecem a máquina e afetam

o seu rendimento. Os núcleos são montados como pacotes de chapas de aço de espessura reduzida

que diminuem os efeitos dessas correntes chamadas correntes de Foucault ou correntes parasitas.

O espaço entre o rotor e a armadura ou estator é chamado de entreferro e, por ser de ar, nele se concentra

a maior parte da relutância do circuito magnético no interior da máquina.

1.1) Máquinas Síncronas Elementares

A figura 1.1 representa de uma forma muito simplificada um gerador síncrono monofásico