aquecimento de maquinas electricas

INDICE

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1INTRODUCcedilAtildeO

Ventilador eacute uma maacutequina que produz fluxo de gaacutes com duas ou mais paacutes fixadas a um alta eixo rotativo Os ventiladores convertem a energia mecacircnica rotacional aplicada aos seus eixos em aumento de pressatildeo total do gaacutes em movimento Esta conversatildeo eacute obtida atraveacutes da alteraccedilatildeo do momento do fluido

Meacutetodos de ventilaccedilatildeo e refrigeraccedilatildeo

A refrigeraccedilatildeo de maacutequinas eleacutectricas por meio de uma corrente de ar eacute chamada de ventilaccedilatildeo das maacutequinas Os sistemas de arrefecimento podem ser agrupados em trecircs tipos a saber O arrefecimento natural auto e arrefecimento separado

Aleacutem disso a ventilaccedilatildeo da maacutequina podem ser classificados em trecircs categorias de acordo com o regime de ventilaccedilatildeo incorporado na maacutequina isto eacute um circuito de ventilaccedilatildeo 2 aberto e circuito fechado de ventilaccedilatildeo ventilaccedilatildeo de superfiacutecie 3Ventilaccedilatildeo circuito aberto pode ser dividido em dois tipos de ventilaccedilatildeo ou seja induzido ou ventilaccedilatildeo forccedilada

O sistema de ventilaccedilatildeo podem ser classificados em quatro tipos de acordo com a disposiccedilatildeo das condutas de arrefecimento e de como o ar passa por cima das partes quentes das maacutequinas

A evoluccedilatildeo das maacutequinas eleacutetricas nos uacuteltimos anos foi acelerada pela exigecircncia do mercado que constantemente estaacute demandando maacutequinas de melhor desempenho com niacuteveis de ruiacutedo menores e principalmente menores em volume ocupando menor espaccedilo na instalaccedilatildeo O volume de uma maacutequina eleacutetrica estaacute diretamente relacionado com a capacidade de troca teacutermica do sistema de refrigeraccedilatildeo utilizado na maacutequinaPara atender esta demanda os fabricantes de maacutequinas eleacutetricas desenvolveram vaacuterios sistemas de refrigeraccedilatildeo no sentido de atender o grau de proteccedilatildeo e ao mesmo tempo maximizar a troca teacutermicaO sistema de refrigeraccedilatildeo de motores eleacutetricos deve ser capaz de retirar todo o calor gerado devido as perdas geradas no interior da maacutequina Estas perdas consistem em perdas joules nos condutores da maacutequina em perdas no ferro do circuito magneacutetico da maacutequina e nas perdas mecacircnicas por atrito no ar e nos mancais da maacutequina que se convertem em calor no interior da mesma

Ventiladores e bombas centriacutefugas satildeo maacutequinas de fluxo motoras que transferem energia a gases e liacutequidos respectivamente atraveacutes da accedilatildeo de um rotor

Sistemas de ventilaccedilatildeo e de bombeamento tecircm a funccedilao de conduzir os gases e os liacutequidos entre dois ambientes reservatoacuterios equipamentos dispositivos etc Evidentemente a natureza de cada fluido de trabalho e as funccedilotildees das maacutequinas fazem com que alguns processos e fenocircmenos sejam especiacuteficos da movimentaccedilatildeo dos gases outros da movimentaccedilatildeo de liacutequidos Por exemplo haacute ventiladores que prescidem de sistemas de ventilaccedilatildeo satildeo aqueles utilizados na movimentaccedilatildeo de ar ambiente (ventiladores de coluna de teto etc) As bombas mesmo quando utilizadas para movimentar uma massa de liacutequido confinada em um reservatoacuterio o fazem mais

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eficientemente quando conectadas a tubulaccedilotildees de succcedilatildeo eou recalque (os misturadores satildeo os dispositivos utilizados para movimentar liacutequidos confinados)

Sistemas de ventilaccedilatildeo aplicados no condicionamento de ar (refrigeraccedilatildeo aquecimento exaustatildeo filtragem renovaccedilatildeo diluiccedilatildeo de poluentes etc) em ambientes residenciais comerciais e industriais constituem uma grande parcela das unidades em uso

As maacutequinas eleacutetricas tecircm evoluiacutedo bastante nos uacuteltimos anos devido principalmente agraves exigecircncias do mercado que demanda por maacutequinas mais leves mais silenciosas com tamanho reduzido e que apresentem desempenho que atenda a necessidade da aplicaccedilatildeo No aspecto do desempenho o maior apelo eacute no sentido de aumentar o rendimento ou seja a eficiecircncia da maacutequina e com relaccedilatildeo ao uso o maior apelo eacute no sentido de reduzir o volume da maacutequina Em consonacircncia com esta demanda do mercado os fabricantes de maacutequinas eleacutetricas procuram desenvolver maacutequinas com maiores rendimentos e com maiores densidades volumeacutetricas de energia isto eacute com menores perdas e menor volumeNeste artigo seratildeo analisados os diversos sistemas de refrigeraccedilatildeo utilizados no desenvolvimento das maacutequinas eleacutetricas destacando as partes construtivas e os fundamentos teoacutericos da transferecircncia de calor no qual cada sistema se baseia

VENTILACAOAs perdas sao inevitaveis no gerador e o calor gerado por elas devem ser dissipado ou seja transferidos para o elemento de resfriamento do gerador usualmente o ar ambientemA maneira pela qual e feita a troca de calor entre as partes aquecidas do gerador e o ar ambiente e o que define o SISTEMA DE VENTILACAO da maquina

Satildeo os responsaacuteveis pelo fornecimento de energia ao ar com a finalidade de movimenta-lo quer seja em ambientes quer seja em sistema de dutosA funccedilatildeo baacutesica de um ventilador eacute pois mover uma dada quantidade de ar por um sistema de ventilaccedilatildeo a ele connectadoAssim o ventilador deve gerar uma pressatildeo estaacutetica suficiente para vencer as perdas do sistema e uma pressatildeo cineacutetica para manter o ar em movimento

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2OBJECTIVOS

- Obter conhecimento sobre o aquecimento e os meacutetodos de arrefecimento das maacutequinas eleacutectricas

- Introduzir as maacutequinas de auto-ventilaccedilatildeo exterior e maacutequinas de arrefecimento independente

- Conhecer os meacutetodos de ventilaccedilatildeo dos turbo-alternadores e alternadores hidraacuteulicos

3Maacutequinas de auto-ventilaccedilatildeo exterior

Ventilaccedilatildeo da maacutequina totalmente fechado

Na ventilaccedilatildeo com ar refrigerado para maacutequinas grandes necessaacuterios dispositivos de filtragem de bom tamanho por este motivo se utilizam frequentemente refrigeraccedilotildees por circulaccedilatildeo onde o ar depois de sair da maacutequina volta a ser esfriado em refrigeradores ar - ar ou ar-agua (trocadores de calor)Nas maacutequinas de tamanho meacutedio de algumas centenas de kW em geral a maacutequina e o radiador formam uma unidade de construccedilatildeo Nos grandes turbo-geradores utiliza-se a refrigeraccedilatildeo directa dos condutores por meio de gases ou liacutequidos

Na maacutequina totalmente fechado o problema de ventilaccedilatildeo eacute grave como no interior da maacutequina natildeo estaacute ligado ao ar exterior externo Em tais maacutequinas o ar quente arrefecida por meio de um permutador de calor arrefecido a aacutegua O calor eacute transferido para o fluido de arrefecimento atraveacutes do meio fluido intermediaacuterio Geralmente o hidrogeacutenio eacute utilizado como um meio fluido como intermediaacuterio eacute mais leve do que o ar e que eacute melhor condutor de calor

A remoccedilatildeo de maacutequinas eleacutectricas do calor liberado como resultado de magneacuteticas eleacutetricas e outras perdas O aquecimento maacuteximo admissiacutevel eacute determinado pela resistecircncia ao calor do material o isolamento por soldadura e lubrificante usado na maacutequina O meacutetodo mais eficaz para a eliminaccedilatildeo de calor eacute para arrefecer as partes aquecidas do aparelho com uma substacircncia de circulaccedilatildeo intermediaacuterio que pode ser ar vaacuterios gases (hidrogeacutenio dioacutexido de carbono heacutelio) ou de um liacutequido (oacuteleo de transformador aacutegua clorada bifenil)

Ar de arrefecimento eacute suficientemente eficaz na maioria dos casos e eacute o meacutetodo mais simples e mais faacutecil Os principais sistemas de arrefecimento de ar satildeo (1) de arrefecimento natural sem a circulaccedilatildeo forccedilada do ar em torno das partes aquecidas (2) de arrefecimento com ar a partir do espaccedilo circundante atraveacutes da ventilaccedilatildeo forccedilada eacute fornecida por um ou mais ventiladores independentes ou por um uacutenico ventilador montado no eixo da maacutequina (interno auto-ventilaccedilatildeo) e (3) arrefecimento de uma maacutequina eleacutectrica de um desenho fechado ou vedado onde a circulaccedilatildeo do ar no invoacutelucro eacute mantido por uma ventoinha interna independente ou por auto-ventilaccedilatildeo O primeiro sistema de arrefecimento eacute utilizado em baixa potecircncia (ateacute vaacuterias centenas de watts) maacutequinas fechados ou aberto que natildeo requerem refrigeraccedilatildeo intensiva O

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segundo sistema eacute utilizado principalmente em maacutequinas de baixa e meacutedia potecircncia O terceiro sistema eacute usado em maacutequinas de alta e meacutedia potecircncia e tambeacutem quando o ar em torno de uma maacutequina eleacutectrica tenha sido aquecido a uma temperatura elevada conteacutem gases explosivos ou conteacutem vapores aacutecidos que corroem o isolamento

Gases especiais satildeo usados para o resfriamento de maacutequinas eleacutetricas onde o consumo de energia para ventilaccedilatildeo de ar eacute muito grande como motores de alta velocidade eleacutetrico turbogeradores e compensadores siacutencronos Quando um sistema de arrefecimento de hidrogeacutenio for usado a possibilidade de misturar a hidrogeacutenio com o ar e formar uma mistura perigosamente os explosivos devem ser evitados Se um tal perigo existe mas o ar de arrefecimento eacute no entanto indesejaacutevel tal como com alta potecircncia motores eleacutectricos localizados em lugares perigosamente explosivos possuindo pouca ventilaccedilatildeo um meio de arrefecimento tal como dioacutexido de carbono ou heacutelio eacute usado

A aacutegua eacute usada para resfriar os estatores de maacutequinas de alta frequumlecircncia eleacutetrica os rolamentos de alta potecircncia de motores eleacutetricos e os rolamentos passo de geradores Bifenilo clorado eacute usada se existe um perigo de o congelamento da aacutegua Os enrolamentos de transformadores pesados satildeo refrigerados por circulaccedilatildeo de oacuteleo

As maacutequinas eleacutetricas girantes de maior porte possuem em geral um circuito interno de ventilaccedilatildeo cujo objetivo eacute o de retirar o calor diretamente das partes activas da maacutequinaEste circuito pode ser aberto ou fechado de acordo com as caracteriacutesticas ambientais de operaccedilatildeo da maacutequina e de acordo com o grau de proteccedilatildeo necessaacuterio Nos casos das maacutequinas eleacutetricas fechadas muitas vezes eacute necessaacuterio ainda um trocador de calor que poderaacute ser um trocador ar-ar carcaccedila e tubos ou um trocador semelhante aos radiadores ar-aacutegua de automoacuteveisCaso natildeo utilize trocador de calor a maacutequina eleacutetrica fechada poderaacute possuir aletas que facilitem a troca teacutermica com o ambienteDentre os diversos tipos de circuitos internos de refrigeraccedilatildeo tanto para maacutequinas fechadas quanto para maacutequinas abertas estaacute o circuito axial

Sistema de ventilaccedilatildeo totalmente fechado

FigSistema de ventilaccedilatildeo totalmente fechado

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O sistema aletado a troca teacutermica eacute feito atraveacutes de aletas axiais aonde o calor chega ateacute elas por conduccedilatildeo e eacute retirado da superfiacutecie das aletas por convecccedilatildeo forccedilada1048707 O sistema com trocador ar-ar a troca teacutermica eacute realizada entre um circuito interno de ar forccedilado e um externo atraveacutes das paredes dos tubos que constituem o trocador1048707 O sistema com trocador ar-aacutegua a troca teacutermica eacute feita entre o circuito de ar forccedilado internamente agrave maacutequina e o circuito de aacutegua externo1048707 O sistema aberto o calor eacute retirado do interior da maacutequina por um fluxo de ar externo que eacute forccedilado atraveacutes da maacutequina1048707 O sistema por manto drsquoaacutegua neste sistema o calor eacute retirado da maacutequina atraveacutes de uma lacircmina de aacutegua circulante ao redor da carcaccedila na qual o calor chega por conduccedilatildeo do interior da maacutequinaO sistema de refrigeraccedilatildeo no projeto da maacutequina eacute normalmente escolhido em funccedilatildeo da aplicaccedilatildeo sempre levando em conta a proteccedilatildeo do invoacutelucro e a eficiecircncia da refrigeraccedilatildeo Quanto agrave proteccedilatildeo do invoacutelucro as condiccedilotildees do ambiente onde a maacutequina seraacute instalada satildeo determinantesO volume da maacutequina estaacute relacionado agrave eficiecircncia da troca teacutermicaO sistema de refrigeraccedilatildeo por manto drsquoaacutegua permite projetar uma maacutequina com um volume menor e tambeacutem menor niacutevel de ruiacutedo quando comparado com os demais sistemas de refrigeraccedilatildeoA maacutequina com o sistema de refrigeraccedilatildeo por manto drsquoaacutegua pode ser aplicado nos mais diversos ambientes Por possuir um design robusto e compacto a sua construccedilatildeo eacute totalmente fechada apresentando um alto grau de proteccedilatildeo podendo ser ateacute IP66 Aleacutem disso a troca teacutermica eacute feita diretamente com a aacutegua podendo operar normalmente em ambientes agressivos tais como temperaturas ambientes elevadas poeira lama etc desde que a aacutegua refrigerante que forma o manto apresente a temperatura especificadaNeste artigo seratildeo analisados os cinco sistemas de refrigeraccedilatildeo aplicados agraves maacutequinas eleacutetricas girantes com foco no princiacutepio de transferecircncia de calor em maacutequinas refrigeradas por manto daacuteguaSeraacute abordado tambeacutem como projetar a circulaccedilatildeo de aacutegua pela maacutequina Tambeacutem seratildeo abordadas as vantagens e desvantagens do projeto de maacutequinas eleacutetricas refrigeradas por manto daacutegua comparando-a com maacutequinas com outros sistemas de refrigeraccedilatildeo No final do artigo seratildeo mostradas algumas sugestotildees de aplicaccedilotildees da maacutequina de induccedilatildeo

481 Gerador aberto

E o gerador em que o ar ambiente circula no seu interior em contato direto com as partes aquecidas que devem ser resfriadasNeste sistema o gerador apresenta uma protecaoIP21 ou IP23 e possui um ventilador interno montado no eixoO ventilador aspira o ar do ambiente que apos passar atraves da maquina e devolvido quente novamente ao meio ambienteO gerador aberto propriamente dito ou seja aquele em que nao ha nenhuma restricao a livre circulaccedilatildeo do ar ambiente por dentro dele e raramente usadoNa realidade as entradas e saidas de ar costumam ser parcialmente protegidas segundo diversos graus de protecao que foram descritos no item 45A figura 481 mostra o esquema do circuito derefrigeracao do gerador auto-ventilado da linha G Aprotecao neste caso e IP21 pois as entradas de ar possuem venezianas e a saida possui tela No caso da protecao IP23 a entrada de ar possui veneziana e a saida possui tela com um ldquochapeurdquo que garante a protecao contra agua a 60o com a vertical

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Gerador totalmente fechadoGerador Fechado de tal modo que nao haja troca de meio refrigerante entre o interior e o exterior da carcaca nao sendo necessariamente estanque(Definicao da ABNT)O ar ambiente e separado do ar contido no interior do gerador nao entrando em contato direto com suas partes internas A transferencia de calor e toda feita na superficie externa do geradorO gerador nao e estanque isto e as folgas de montagem nao impedem totalmente a penetraccedilatildeo do ar ambiente para dentro e a saida de ar de dentro para foraPor exemploQuando o gerador comeca a funcionar o ar contido no seu interior se aquece e se expande criando uma leve diferenca de pressao e fazendo com que um pouco de ar escape para o ambiente Quando o gerador para o ar interno esfria e se contrai fazendo com que um pouco do ar externo penetre no gerador O gerador assim respira em funccedilatildeo das oscilacoes de temperaturaDependendo da maneira como e feita a troca de calor na superficie externa da maquina existem os seguintes tipos de geradores totalmente fechados

a) Totalmente fechado com trocador de calorar-arO gerador possui dois ventiladores montados no eixo um interno e outro externoO trocador de calor ar-ar e constituido de tubos montados axialmente no trocador e normalmente fica na parte superior do geradorO ventilador interno forca o ar quente a circular dentro da maquina fazendo-o entrar em contato com a parte externa dos tubos do trocador que encontram-se dentro da maquina O ventilador externo forca o ar do ambiente a circular dentro dos tubos do trocador retirando o calor deles e transferindo ao ambientePara trocadores ar-ar padroes os tubos sao em confeccionados em aluminio trefilado Em algumasaplicacoes especiais em aco sem costura fosfatizado protegido por tinta anti-corrosiva ouaco inox ou tubos especiais dependendo da especificacao do clienteFig 482

b) Totalmente fechado com trocador de calor ar-aguaO gerador possui um ventilador interno montado no eixo e um ou dois radiadores a agua montados no trocador de calor Esses radiadores recebem agua fria de um sistema existente no local de instalaccedilatildeo do geradorO trocador de calor normalmente e montado na parte superior do geradorO ventilador interno forca o ar quente a circular por dentro da maquina e atraves do radiador onde o calor e retirado pela agua que circula neleA fig 483 mostra o esquema do circuito de refrigeracao do gerador com trocador de calor aragua

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Fig Sistema de refrigeraccedilatildeo fechada com trocador de calor ar-ar

A figura 1 apresenta uma maacutequina eleacutetrica fechada com trocador de calor ar-ar cujo circuito interno de ventilaccedilatildeo eacute do tipo axialNesta maacutequina o ventilador interno localizado na sua parte dianteira impulsiona o ar proveniente dos canais axiais do estator e do rotor transversalmente sobre os tubos do trocador de calor O ar apoacutes dois passes transversais sobre os tubos do trocador entra novamente na carcaccedila da maacutequina onde o fluxo Qtotal se divide- uma parte do ar caminha axialmente entre o estator e a carcaccedila (Qcae)- outra parte caminha diretamente pelos canais axiais do estator (Qca1)- uma parte atravessa a cabeccedila de bobina traseira do estator (Qcabbt)- uma parte passa paralelamente agrave cabeccedila de bobina traseira do estator (Qpcabbt)

Os fluxos de ar que passam respectivamente pelos canais axiais do estator (Qca1) e externamente ao estator (Qcae) se misturam na saiacuteda para novamente se dividir- uma parte atravessa a cabeccedila de bobina dianteira(Qcabbd)- a outra parte passa paralela agrave cabeccedila de bobina dianteira (Qpcabbd) O fluxos de ar que passaram atraveacutes e paralelamente agrave cabeccedila de bobina traseira do estator tambeacutem se misturam para tambeacutem novamente se dividir- uma parte passa pelo entreferro (Qdelta)- a outra parte passa pelos canais axiais do rotor(Qca2)Finalmente os fluxos nas saiacutedas do rotor e da cabeccedila de bobina dianteira se unem para passar atraveacutes do ventilador fechando o ciclo de ventilaccedilatildeoCada canal de passagem por onde escoa o fluxo de ar apresenta uma resistecircncia a esse escoamento dada principalmente- pelo atrito do ar com as superfiacutecies dos canais- pela bruscas variaccedilotildees das dimensotildees dos canaisde passagem do ar - pelas mudanccedilas forccediladas na direccedilatildeo de escoamento do arA queda de pressatildeo que ocorre nos canais por ondecircula o ar devido agraves resistecircncias ao escoamento eacute chamada perda de cargaA perda de carga se altera com a alteraccedilatildeo da velocidade de escoamento do ar (vazatildeo)

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O papel do ventilador no circuito de ventilaccedilatildeo eacute o de fornecer energia ao ar sob a forma de pressatildeo de tal maneira que sejam vencidas as resistecircncias agrave circulaccedilatildeo do ar e que seja garantida uma vazatildeo de ar miacutenima necessaacuteria

- Neste meacutetodo o fluxo de ar eacute causada por condutas de ar ou por em ventiladores que satildeo parte integrante da proacutepria maacutequina assim natildeo existindo ventiladores externos

Um grupo gerador construiacutedo com um ventilador e radiador proacuteprio jaacute eacute provido com um sistema integrado de arrefecimento e ventilaccedilatildeo Em geral o ventilador do radiador eacute acionado mecanicamente pelo motor do grupo gerador

Grupos geradores eacute de que sejam capazes mover volumes relativamente grandes de ar ao redor da aacuterea do grupo geradorDeve ser deslocado um volume de ar suficientemente grande para dissipar o calor emitido pelo equipamento e tambeacutem para prover o suprimento de ar para a queima do combustiacutevelEste requisito pode exigir que o sistema seja capaz de deslocar um grande fluxo de ar e pode levar agrave decisatildeo de se utilizar um sistema de arrefecimento remoto No entanto mesmo que um sistema de arrefecimento remoto seja utilizado o fluxo de ar necessaacuterio para dissipar o calor e fornecer um volume suficiente de ar para a combustatildeo eacute significativo e um sistema adequado de ventilaccedilatildeo ainda seraacute necessaacuterio Para detalhes adicionais consulte a seccedilatildeo ldquoVentilaccedilatildeordquo neste manualPara os sistemas nos quais o radiador esteja montado no proacuteprio grupo gerador o ventilador do motor iraacute frequentemente proporcionar um volume de ventilaccedilatildeo suficiente eliminando a necessidade de dispositivos adicionais e outros sistemas de ventilaccedilatildeo

Fig1 ndash Representaccedilatildeo de uma maacutequina com circuito interno axial de refrigeraccedilatildeo

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SISTEMA DE REFRIGERACcedilAtildeO COM ALETAS AXIAIS No sistema de refrigeraccedilatildeo com aletas axiais a maacutequina eacute totalmente fechada podendo ser autoventilada isto eacute possui um ventilador montado no proacuteprio eixo

Quando o ventilador responsaacutevel pela circulaccedilatildeo do ar externo sobre as aletas eacute acionado por um motor independente

Em maacutequinas de maior porte para equalizar a distribuiccedilatildeo da temperatura no interior da maacutequina entre as partes dianteira e traseira um ventilador interno pode ser montado no eixo da maacutequina conforme mostrado na figura 01(a) O ventilador externo promove uma convecccedilatildeo forccedilada aumentando a eficiecircncia de troca teacutermica entre o ar externo e as paredes das aletas da carcaccedila O ventilador interno quando utilizado faz com o que o ar quente no interior do motor circule da parte dianteira para a traseira deixando a temperatura interna mais homogecircnea

A figura 01(a) mostra um corte esquemaacutetico da maacutequina com o sistema de refrigeraccedilatildeo com aletas axiais e com ventilaccedilatildeo internaNa figura 01 (b) eacute mostrada uma maacutequina WEG com sistema de refrigeraccedilatildeo por aletas axiais IC 0411

Figura 01- Maacutequina com sistema de refrigeraccedilatildeo por aletas axiais e ventilador interno

22 SISTEMA DE REFRIGERACcedilAtildeO COM TROCADOR AR-AR Neste sistema de refrigeraccedilatildeo a troca teacutermica eacute feita pelo trocador de calor ar-ar normalmente montado na parte superior da maacutequina conforme mostrado na figura 02Com este sistema a maacutequina eacute totalmente fechada podendo ser aplicada em ambientes mais agressivosDe acordo com a norma IEC-60034-6 o sistema de refrigeraccedilatildeo eacute denominado IC0611 quando os dois ventiladores interno e externo estatildeo montados sobre o eixo da maacutequina constituindo um sistema auto-ventilado De acordo com a mesma norma quando os dois ventiladores forem acionados por motores independentes o sistema de refrigeraccedilatildeo eacute denominado deIC 0666Nos dois sistemas o ventilador interno forccedila a circulaccedilatildeo do ar atraveacutes das partes quentes da maacutequina e por entre os tubos do trocador de calor Jaacute o ventilador externo forccedila a circulaccedilatildeo do ar externo por dentro dos tubos do trocador de calor Quando estes dois fluxos de ar satildeo opostos o trocador eacute de correntes opostas e quando estatildeo no mesmo sentido o trocador eacute denominado de correntes paralelas

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Normalmente o trocador utilizado eacute de correntes opostas tambeacutem conhecido como por contra correntes por apresentar maior eficiecircncia na troca teacutermica O de correntes paralelas soacute eacute usado quando natildeo for possiacutevel usar o de correntes opostasNa figura 02 (a) eacute mostrado um diagrama esquemaacutetico do sistema de refrigeraccedilatildeo da maacutequina IC0611 onde indica a disposiccedilatildeo dos ventiladores interno e externo com fluxo de ar opostos formando um trocador de correntes opostas e na figura 02 (b) uma maacutequina WEG com o sistema de refrigeraccedilatildeo IC 0611

Fig Maacutequina totalmente fechada com trocador de calor ar-ar por contra correntes e autoventilada

SISTEMA DE REFRIGERACcedilAtildeO COM TROCADOR AR-AacuteGUA Neste sistema o meio refrigerante interno continua sendo o ar interno que circula pelas partes quentes da maacutequina e o meio refrigerante externo eacute constituiacutedo de aacuteguaEste trocador tambeacutem conhecido com o nome de radiador normalmente eacute instalado na parte superior da maacutequina conforme figura 4 (a) e (b) mas dependendo do espaccedilo disponiacutevel no local da instalaccedilatildeo pode ser montado na lateral ou em baixo da maacutequina Neste sistema de refrigeraccedilatildeo a maacutequina eleacutetrica normalmente eacute fechada pode ser fabricada no grau de proteccedilatildeo IP55 ou IP56De acordo com a norma IEC quando a maacutequina apresentar um ou dois ventiladores internos montados sobre o eixo o sistema de refrigeraccedilatildeo recebe a denominaccedilatildeo de IC W 37A81 sendo neste caso uma maacutequina autoventilada e fechadaDe acordo com a mesma norma quando a maacutequina apresentar um ou dois ventiladores acionados independentemente do eixo da maacutequina o sistema de refrigeraccedilatildeo recebe a denominaccedilatildeo de IC W 37A86 constituindo uma maacutequina com ventilaccedilatildeo independente e fechadaA eficiecircncia da troca teacutermica do sistema de refrigeraccedilatildeo com trocador de calor ar-aacutegua eacute muito boa sendo praticamente tatildeo eficiente quanto uma maacutequina aberta A grande vantagem deste sistema aleacutem da alta eficiecircncia na troca teacutermica eacute o facto da maacutequina apresentar um niacutevel de ruiacutedo muito baixo quando comparado com os demais sistemas de refrigeraccedilatildeoA figura 4 (a) mostra um diagrama do circuito de refrigeraccedilatildeo da maacutequina IC W37A81 autoventilada e totalmente fechada destacando o fluxo do ar internoPara o usuaacuterio da maacutequina com este sistema de refrigeraccedilatildeo eacute importante conhecer qual a vazatildeo miacutenima de aacutegua que deve circular atraveacutes do trocador Com esta informaccedilatildeo eacute

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possiacutevel projetar a instalaccedilatildeo para que a quantidade de aacutegua esteja disponiacutevel ao correto funcionamento da maacutequina

Maacutequina fechada com trocador de calor ar-aacutegua Autoventilada

SISTEMA DE REFRIGERACcedilAtildeOABERTO O sistema de refrigeraccedilatildeo aberto consiste num circuito de refrigeraccedilatildeo onde o ar ambiente externo entra na maacutequina e passando pelas partes quentes retira o calor e retorna ao meio ambiente Neste sistema a maacutequina eacute denominada abertaDevido ao fato de ser aberta soacute pode ser aplicada em ambientes natildeo contaminados isto eacute em ambientes cuja atmosfera natildeo contenha agentes capazes de atacar o isolamento da maacutequinaNo sistema aberto tambeacutem podemos ter os ventiladores montados sobre o eixo sendo entatildeo a maacutequina autoventilada ou com ventilaccedilatildeo independente quando os ventiladores satildeo acionados independentemente do eixo a maacutequinaQuando a maacutequina apresentar um ou dois ventiladores internos e montados sobre o eixo o sistema de refrigeraccedilatildeo eacute denominado de sistema de ventilaccedilatildeo pelos dois ladosQuando o ventilador eacute acionado independentemente ao eixo da maacutequina o sistema de refrigeraccedilatildeo eacute denominado de ventilaccedilatildeo independente ou separadaQuando o ambiente proacuteximo a maacutequina estiver contaminado a entrada do ar na maacutequina pode ser feita por um duto que traz ar de outra aacuterea natildeo contaminada Este sistema de refrigeraccedilatildeo eacute denominado de Para os trecircs sistemas comentados a maacutequina precisa uma vazatildeo miacutenima de ar atraveacutes das partes internas para que a retirada do calor seja garantida e que a temperatura das partes quentes natildeo exceda a temperatura limite da classe teacutermica

O sistema de refrigeraccedilatildeo aberto apresenta uma alta eficiecircncia no arrefecimento da maacutequina fazendo com que a maacutequina apresente a maior densidade volumeacutetrica de energia quando comparada com os demais sistemas de refrigeraccedilatildeo Esta eficiecircncia reside no fato de que o ar que entra na maacutequina sempre se encontra na temperatura ambiente temperatura esta que normalmente eacute mais baixa se comparada com a temperatura do ar interno que circula em maacutequinas fechadasNa figura 05 (a) eacute mostrado um diagrama esquemaacutetico do sistema de refrigeraccedilatildeo da maacutequina aberta IC01 onde eacute mostrada a disposiccedilatildeo dos ventiladores internos com fluxo de ar e na figura 05 (b) uma maacutequina WEG com o sistema de refrigeraccedilatildeo IC 01

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FigMaacutequina aberta auto-ventilada

SISTEMA DE REFRIGERACcedilAtildeO POR MANTO DrsquoAacuteGUA No sistema de refrigeraccedilatildeo por manto drsquoaacutegua a transferecircncia do calor gerado internamente na maacutequina para fora da carcaccedila eacute feito por conduccedilatildeo e retirado da maacutequina atraveacutes do manto drsquoaacutegua que circula ao redor da carcaccedila O manto drsquoaacutegua apresenta certa espessura e eacute projetado para circular no interior da parede da carcaccedila da maacutequina A maacutequina com este sistema de refrigeraccedilatildeo apresenta um grau de proteccedilatildeo fechado podendo ser aplicada em ambientes agressivos O sistema de refrigeraccedilatildeo por manto drsquoaacutegua de acordo com a norma IEC eacute denominado de IC 71WPara melhorar a eficiecircncia do arrefecimento da maacutequina no interior da maacutequina pode ser instalado no eixo um ventilador interno que forccedila a circulaccedilatildeo do ar da dianteira para a traseira da maacutequina ou vice - versa Esta circulaccedilatildeo de ar equaliza a temperatura interna melhorando a transferecircncia do calorNa figura 06 (a) eacute mostrado esquematicamente o circuito da aacutegua e o caminho da circulaccedilatildeo do ar interno da maacutequina Na figura 06 (b) uma maacutequina WEG com o sistema de refrigeraccedilatildeo IC 71W

Motor totalmente fechado com manto de aacutegua

No sistema de refrigeraccedilatildeo por manto drsquoaacutegua a transferecircncia do calor de dentro para fora eacute feito por conduccedilatildeo e retirado da maacutequina por convecccedilatildeo realizada pelo manto drsquoaacutegua Para garantir um bom arrefecimento eacute necessaacuterio impor uma vazatildeo miacutenima de aacutegua circulando ao redor da carcaccedila

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4Maacutequinas de ventilaccedilatildeo independente ou separada

A quantidade de transporte dos ventiladores depende muito da velocidade portanto as maacutequinas com controlo de nuacutemero de revoluccedilotildees e as com velocidade nominal baixa devem ter ventiladores com accionamento independente (refrigeraccedilatildeo independente)

Neste meacutetodo um ventilador separado eacute usado em separado que eacute accionado para fazer com que o fluxo de ar de arrefecimento na maacutequina

5Ventilaccedilatildeo dos turbo-alternadores

Turbo ndash alternadores ndash satildeo alternadores que estatildeo acoplados a turbinas ou seja satildeo os alternadores que encontram-se nas centrais hidroeleacutectricas

Para a ventilaccedilatildeo dos turbo-alternadores existem os seguintes meacutetodos

- Sistema de ventilaccedilatildeo axial- Sistema de ventilaccedilatildeo radial e axial combinado- Sistema de refrigeraccedilatildeo por ar- Refrigeraccedilatildeo pelo ar dos dois lados por ventilaccedilatildeo axial- Sistema de refrigeraccedilatildeo pelo hidrogeacutenio- Sistema de ventilaccedilatildeo de entrada muacuteltipla- Sistema de arrefecimento directo

51Sistema de ventilaccedilatildeo axial

Este sistema eacute adequado para a produccedilatildeo moderna e maacutequinas de alta velocidade Para aumentar a superfiacutecie de arrefecimento os buracos podem ser perfurados em placas de nuacutecleo para formar atraveacutes de condutas onde ocorre consideraacutevel dissipaccedilatildeo de calor Isto melhora grandemente o arrefecimento mas requer uma grande diacircmetro do nuacutecleo para o aumento da profundidade do nuacutecleo necessaacuterio

Figura 1 Ventilador axial

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O ventilador de heacutelice consiste em uma heacutelice montada muna armaccedilatildeo de controle de fluxo com o motor apoiado por suportes normalmente presos agrave estrutura dessa armaccedilatildeo O ventilador eacute projetado para movimentar o ar de um espaccedilo fechado a outro a pressotildees estaacuteticas relativamente baixas O tipo de armaccedilatildeo e posiccedilatildeo da heacutelice tem influecircncia decisiva no desempenho do ar e eficiecircncia do proacuteprio ventilador

O ventilador axial tem por princiacutepio o movimento de grandes volumes de ar de um determinado ponto a outro com pressotildees estaacuteticas relativamente baixas

Um ventilador axial consiste de um cubo uma pluralidade de braccedilos que se estendem radialmente e externamente a partir do cubo e elementos de lacircmina cada elemento de lacircmina sendo preso ao seu respectivo braccedilo caracterizado em que o braccedilo consiste de elementos flexiacuteveis com uma rigidez ao dobramento tal que quando em operaccedilatildeo os elementos de lacircmina satildeo inclinados em um acircngulo no qual as forccedilas centriacutefugas actuando sobre os elementos de lacircmina neutralizam as forccedilas de traccedilatildeo que actuam nos mesmos Portanto as variaccedilotildees de carga e consequentes vibraccedilotildees satildeo substancialmente reduzidas dessa forma aumentando o tempo de serviccedilo das lacircminas e do mecanismo de transmissatildeo do ventilador

Egrave Utilizado em maacutequinas de induccedilatildeo e maacutequinas de alta velocidade rotor soacutelido

- Vantagens possibilita sua utilizaccedilatildeo a pressotildees elevadas e para mover grandes volumes de ar a baixas pressotildees

- Desvantagens a transferecircncia de calor natildeo uniforme e o aumento da perda de ferro

Fig1Sistema de ventilaccedilatildeo axial

52Ventilaccedilatildeo radial

Isto eacute vulgarmente utilizado como o movimento do rotor induz movimento centriacutefugo natural do ar A circulaccedilatildeo do ar pode ser aumentada em necessaacuterio por ventiladores de rotor Uma elevada taxa de dissipaccedilatildeo eacute possiacutevel Eacute o mais comum pode-se usar a grandes maacutequinas eleacutectricas com potecircncia ateacute 20 kW

Um ventilador centriacutefugo consiste em um rotor uma carcaccedila de conversatildeo de pressatildeo e um motorO ar entra no centro do rotor em movimento na entrada e acelerado pelas palhetas eacute impulsionado da periferia do rotor para fora da abertura de descarga

Vantagens miacutenima energia para a ventilaccedilatildeo temperatura quase uniforme

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Desvantagens faz comprimento da maacutequina maior refrigeraccedilatildeo pode ser instaacutevel com quantidade de ar de refrigeraccedilatildeo fluindo

Figsistema de ventilaccedilatildeo radial

FigVentilador radial

53Sistema de ventilaccedilatildeo radial e axial combinadoEste meacutetodo eacute normalmente usado para grandes e pequenos motores turbo-alternadores

Fig Sistema de ventilaccedilatildeo radial e axial combinado

Ventilaccedilatildeo axial-radial usa-se para grandes motores como turbo-alternadores

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54Refrigeraccedilatildeo pelo ar dos dois lados por ventilaccedilatildeo axial de turbo-alternadores

- Este sistema funciona como um sistema de ventilaccedilatildeo axial normal apenas com dois ventiladores que um localiza-se no estator e o outro no rotor

- O ar eacute forccedilado de ambos os lados ambos os enrolamentos tem o mesmo aumento de temperatura Usado para maacutequinas ateacute 12MW

- Muitas cacircmaras - Entradas e saiacutedas alternativas - Usado para maacutequinas ateacute 60MW

56Arrefecimento dos turbo-alternadores com hidrogeacutenio

Turbo-maacutequina acoplado a uma turbina de vapor eacute basicamente uma maacutequina de alta velocidade que tenha de pequeno diacircmetro mas a longo comprimento do nuacutecleo Com essas maacutequinas de ventilaccedilatildeo de circuito aberto exigindo grande volume (vaacuterias toneladas de ar por hora dependendo da classificaccedilatildeo da maacutequina) de poeira e umidade do ar limpo livre natildeo pode ser adotada devido ao custo operacional pesado Resfriamento do ar em circuito fechado soacute pode ser aplicada ateacute uma taxa maacutexima de 50 kw Assim o uacutenico meio de resfriamento alternativa eacute o gaacutes hidrogecircnio para grandes maacutequinas de alta velocidade O gaacutes hidrogeacutenio tal como um fluido de arrefecimento no local de ar sob arrefecimento em circuito fechado tem as vantagens de

-Este meacutetodo serve para maacutequinas com potecircncia superior a 50MW - Ar de refrigeraccedilatildeo inadequada- Nenhuma quantidade necessaacuteria de ar

Vantagens do arrefecimento com hidrogeacutenio-Aumento aumentar a eficiecircncia na classificaccedilatildeo- Aumento na classificaccedilatildeo- Aumento na expectativa de vida - Eliminaccedilatildeo de risco de incecircndio - Menor tamanho do refrigerador - Menos ruiacutedo

57Refrigeraccedilatildeo directa com aacutegua e gaacutes

As grandes maacutequinas acima de 100MW exigem um contacto directo entre o refrigerante e o condutor Nestes casos satildeo utilizados os sistemas de arrefecimento de aacutegua directo Para maacutequinas de grande porte o uso de hidrogecircnio torna-se inviaacutevel economicamente Devido aos grandes comprimentos de rotor a porccedilatildeo do meio natildeo pode ficar arrefecida eficazmente com a utilizaccedilatildeo de hidrogeacutenio Daiacute a aacutegua eacute usada para grandes maacutequinas

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A fig (a) mostra o arrefecimento do gaacutes directa na qual o rotor condutor consiste de tubos ocos que o hidrogeacutenio eacute circulado usando ligaccedilotildees flexiacuteveis Enquanto o fig (b) mostra a disposiccedilatildeo utilizado para o arrefecimento directo de aacutegua

Fig Refrigeraccedilatildeo directa por gaacutes e aacutegua

Em muito grandes turbo-alternadores os nuacutecleos do estator estatildeo directa de gaacutes arrefecido a aacutegua enquanto o arrefecimento eacute utilizado directamente para o estator e enrolamentos do rotor O estator requer conexotildees de tubo flexiacutevel de aacutegua com baixa condutividade da aacutegua mas isolado contra alta tensatildeo

Algumas das vantagens de arrefecimento de aacutegua satildeo os seguintes

- Capacidade teacutermica de aacutegua eacute muito elevada e que pode transportar mais de calor- A aacuterea da conduta de aacutegua eacute menor portanto mais espaccedilo para o cobre no compartimento- A aacutegua de arrefecimento eacute eficiente de hidrogeacutenio em maacutequinas muito grandes

As principais desvantagens de resfriamento de aacutegua satildeo- O custo de todo o sistema de arrefecimento eacute muito elevado- A aacutegua utilizada deve ser altamente purificado filtrada e destilada

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7CONCLUSAtildeO

Os vaacuterios perde na maacutequina de produzir calor e eacute necessaacuterio para dissipar esse calor tatildeo rapidamente quanto possiacutevel de modo a manter o aumento de temperatura dentro dos aumentos limites permitidos As novas tecnologias de transferecircncia de calor estatildeo ajudando a reduzir o tamanho da maacutequinaPara maacutequinas pequenas o arrefecimento natural eacute suficiente mas como o tamanho das maacutequinas aumenta o arrefecimento torna-se dificuldades

O aquecimento eacute um processo natural e devido agrave presenccedila de materiais ferromagneacuteticos como o ferro o cobre etc Ocorre em alternadores e dissiparia em forma de conduccedilatildeo convecccedilatildeo e radiaccedilatildeo

Os alternadores satildeo usados para trabalho contiacutenuo que torna necessaacuterio a ser resfriado para uma maior eficiecircncia e danos miacutenimos Assim como vaacuterios de refrigeraccedilatildeo de refrigeraccedilatildeo de hidrogecircnio resfriamento direto e de refrigeraccedilatildeo de ar satildeo aplicadas a um alternador de acordo com as qualificaccedilotildees e os requisitos que foram mencionados nas paacuteginas anteriores de energia Com a inovaccedilatildeo contiacutenua e tecnologia vaacuterias novas teacutecnicas de refrigeraccedilatildeo estatildeo sendo empregados para aumentar a eficiecircncia

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8REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

SMOLENSKI Ivanov Maacutequinas eleacutectricas traducido del ruso por el ingeniero Luis Rodriacuteguez Tomo 1

BAKSHI UA BAKSH MV Electrical Machines

MITTAL Mittle Basic Electrical Engineering

CHAKRABARTI Sawhney A course in electrical machine design

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1INTRODUCcedilAtildeO

Ventilador eacute uma maacutequina que produz fluxo de gaacutes com duas ou mais paacutes fixadas a um alta eixo rotativo Os ventiladores convertem a energia mecacircnica rotacional aplicada aos seus eixos em aumento de pressatildeo total do gaacutes em movimento Esta conversatildeo eacute obtida atraveacutes da alteraccedilatildeo do momento do fluido

Meacutetodos de ventilaccedilatildeo e refrigeraccedilatildeo

A refrigeraccedilatildeo de maacutequinas eleacutectricas por meio de uma corrente de ar eacute chamada de ventilaccedilatildeo das maacutequinas Os sistemas de arrefecimento podem ser agrupados em trecircs tipos a saber O arrefecimento natural auto e arrefecimento separado

Aleacutem disso a ventilaccedilatildeo da maacutequina podem ser classificados em trecircs categorias de acordo com o regime de ventilaccedilatildeo incorporado na maacutequina isto eacute um circuito de ventilaccedilatildeo 2 aberto e circuito fechado de ventilaccedilatildeo ventilaccedilatildeo de superfiacutecie 3Ventilaccedilatildeo circuito aberto pode ser dividido em dois tipos de ventilaccedilatildeo ou seja induzido ou ventilaccedilatildeo forccedilada

O sistema de ventilaccedilatildeo podem ser classificados em quatro tipos de acordo com a disposiccedilatildeo das condutas de arrefecimento e de como o ar passa por cima das partes quentes das maacutequinas

A evoluccedilatildeo das maacutequinas eleacutetricas nos uacuteltimos anos foi acelerada pela exigecircncia do mercado que constantemente estaacute demandando maacutequinas de melhor desempenho com niacuteveis de ruiacutedo menores e principalmente menores em volume ocupando menor espaccedilo na instalaccedilatildeo O volume de uma maacutequina eleacutetrica estaacute diretamente relacionado com a capacidade de troca teacutermica do sistema de refrigeraccedilatildeo utilizado na maacutequinaPara atender esta demanda os fabricantes de maacutequinas eleacutetricas desenvolveram vaacuterios sistemas de refrigeraccedilatildeo no sentido de atender o grau de proteccedilatildeo e ao mesmo tempo maximizar a troca teacutermicaO sistema de refrigeraccedilatildeo de motores eleacutetricos deve ser capaz de retirar todo o calor gerado devido as perdas geradas no interior da maacutequina Estas perdas consistem em perdas joules nos condutores da maacutequina em perdas no ferro do circuito magneacutetico da maacutequina e nas perdas mecacircnicas por atrito no ar e nos mancais da maacutequina que se convertem em calor no interior da mesma

Ventiladores e bombas centriacutefugas satildeo maacutequinas de fluxo motoras que transferem energia a gases e liacutequidos respectivamente atraveacutes da accedilatildeo de um rotor

Sistemas de ventilaccedilatildeo e de bombeamento tecircm a funccedilao de conduzir os gases e os liacutequidos entre dois ambientes reservatoacuterios equipamentos dispositivos etc Evidentemente a natureza de cada fluido de trabalho e as funccedilotildees das maacutequinas fazem com que alguns processos e fenocircmenos sejam especiacuteficos da movimentaccedilatildeo dos gases outros da movimentaccedilatildeo de liacutequidos Por exemplo haacute ventiladores que prescidem de sistemas de ventilaccedilatildeo satildeo aqueles utilizados na movimentaccedilatildeo de ar ambiente (ventiladores de coluna de teto etc) As bombas mesmo quando utilizadas para movimentar uma massa de liacutequido confinada em um reservatoacuterio o fazem mais

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aquecimento de maquinas electricas

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