Introdução

O presente trabalho tem os seguintes temas como motores eléctricos, geradores eléctricos, máquinas síncronas e assíncronas, e falarei do historial de cada tema, os princípios e as suas aplicações. Eles deram força para o desenvolvimento e o progresso tecnológico do mundo, alteraram a vida das pessoas e as formas de utilizar a electricidade a favor de nossas necessidades. Essa grande invenção contribuiu para que o mundo continuasse a se movimentar económica e socialmente.

Quando os motores eléctricos surgiram, eles não apareceram já na sua forma acabada. Nem mesmo em um único modelo. Diversos pesquisadores trabalharam separadamente em busca de um objectivo comum, a criação de algum dispositivo que, alimentado por energia eléctrica, pudesse gerar energia mecânica. Como tantos foram aqueles que contribuíram para a composição do motor como o conhecemos hoje não há consenso de um inventor desta máquina.

O doutor em engenharia eléctrica e professor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), Ivan Eduardo Chabu, explica que “a invenção do motor eléctrico é meio controvertida”. Assim como acontece na história do avião, que os americanos creditam o invento aos irmãos Wright e os brasileiros ao Santos Dumont, uns dizem que o motor eléctrico seria uma invenção do inglês Michael Faraday, outros do alemão Werner Von Siemens e outros ainda do russo radicado na Alemanha Michael Dobrowolsky.

Certo mesmo é que a partir da descoberta do electromagnetismo pelo dinamarquês Hans Christian Oersted, em 1820, o campo para as pesquisas que desenvolveriam os motores eléctricos estava aberto. Isso porque o mecanismo de funcionamento dos motores é baseado na interacção de campo magnético com as correntes eléctricas, que fazem o rotor (também chamado de armadura) girar em torno do estator, que se mantém parado. Foi a partir da descoberta do físico de Copenhague, e de outros pesquisadores subsequentes, que se percebeu que electricidade e magnetismo estavam intimamente ligados.

As bases do electromagnetismo estavam sendo consolidadas. Só assim foi possível que, em 1831, Faraday descobrisse a indução electromagnética e inventasse um gerador de corrente, que, utilizando um imã em forma de ferradura, fez girar um disco de cobre. Nessa década, surgiram as primeiras máquinas girantes. Mas o motor eléctrico mesmo só apareceria anos mais tarde. Em 1866, o inventor alemão Siemens criou um dínamo que funcionava tanto como gerador de electricidade quanto como motor de corrente contínua – o que é considerado o primeiro motor da história.

Durante a segunda metade do século XIX, além de pesquisadores e estudiosos buscarem novos inventos para serem usados com a electricidade, outras questões eram discutidas sobre como essa energia seria transmitida. Nesse período aconteceram grandes disputas técnicas quanto à adopção do tipo de fonte de alimentação.

A corrente contínua, que até então era a predominante, perdeu lugar para a corrente alternada que se firmou enquanto sistema de fornecimento de energia predominante na virada dos séculos XIX e XX. Nessa época pesquisadores conseguiram desenvolver um sistema de transmissão de energia a distâncias maiores do que as conseguidas antes, com a energia contínua, além de terem viabilizado a utilização de tensões e rendimentos mais elevados nestas transmissões.

Assim, com a utilização de um sistema em larga escala, em detrimento de outro, diversos equipamentos passaram a ser criados para esse tipo de fornecimento alternado de corrente. E foi nesse período que alguns pesquisadores de corrente alternada começam a fazer descobertas com relação à invenção do motor. Dobrowolsky é o primeiro a conseguir desenvolver um modelo finalizado de motor de corrente alternada.

Em 1889, o russo registou a patente de um motor trifásico com potência de 80 W e rendimento de 80%. Por isso, como a história é composta por tantos nomes, Chabu afirma que “é difícil caracterizar um único inventor. Cada um deu a sua contribuição.”

Dois anos após o registo da patente, Dobrowolsky já iniciou a primeira fabricação em série de motores trifásicos assíncronos nas potências de 0,4 kW a 7,5 kW, contribuindo assim para o início da utilização de máquinas motrizes eléctricas na indústria.

Poucos anos depois, chegou-se a uma conceituação final da forma construtiva de motores eléctricos, tanto para corrente contínua quanto alternada. Mesmo com o passar do tempo não aconteceram muitas mudanças estruturais – a não ser pelas mudanças de padronização de fabricação, com as normas de produtos, e pela evolução dos materiais isolantes e chapas de aço. Por isso, ainda hoje a estrutura dos motores eléctricos é bem parecida com os elaborados na virada dos séculos XIX e XX.

1Motores Elétricos

É uma máquina que converte a energia eléctrico em energia mecânica (movimento rotativo), possui construção simples e custo reduzido, além de ser muito versátil e não poluente.

A finalidade básica dos motores é o accionamento de máquinas, equipamentos mecânicos, electrodomésticos, entre outros, não menos importantes.

1.1-Tipos de Motores Eléctricos

Através dos tempos, foram desenvolvidos vários tipos de motores eléctricos para atender às necessidades do mercado. A tabela abaixo mostra de modo geral os diversos tipos de motores hoje existentes.

1.2-Motor de Indução

De todos os tipos de motores eléctricos existentes, este é o mais simples e robusto. É constituído basicamente de dois conjuntos: estator bobinado e conjunto do rotor. O nome “motor de indução” se deriva do fato de que as correntes que circulam no secundário (rotor) são induzidas por correntes alternadas que circulam no primário (estator). Os efeitos electromagnéticos combinados das correntes do estator e do rotor produzem a força que gera o movimento.

1.3-Motor de Indução Monofásico

De modo geral os motores eléctricos de indução monofásicos são a alternativa natural aos motores de indução trifásicos, nos locais onde não se dispõe de alimentação trifásica, como residências, escritórios, oficinas e em zonas rurais. Entre os vários tipos de motores eléctricos monofásicos, os motores de indução com rotor tipo gaiola se destacam pela simplicidade de fabricação e, principalmente, pela robustez, confiabilidade e longa vida sem necessidade de manutenção.

Os motores monofásicos, por terem somente uma fase de alimentação, não possuem campo girante como os motores trifásicos, e sim um campo magnético pulsante. Isto impede que os mesmos tenham conjugado para a partida, tendo em vista que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema da partida utilizam-se enrolamentos auxiliares, que são

dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação do campo girante necessário para a partida.

Existem basicamente cinco tipos de motores de indução monofásicos com rotor de gaiola, classificados de acordo com o arranjo auxiliar de partida empregado: Motor de Fase Dividida, Motor de Capacitor de Partida, Motor de Capacitor Permanente, Motor Com Dois Capacitores e Motor de Campo Distorcido (ou pólos sombreados).

1.4-Motor de Indução Trifásico

Existem dois tipos de motores trifásicos de indução: com Rotor Bobinado e com Rotor em Gaiola de Esquilo. O princípio de funcionamento é o mesmo para ambos, porém os motores com rotor tipo gaiola são mais robustos, simples e confiáveis, destacam-se pela longa vida sem necessidade de manutenção.

2-Geradores eléctricos

Os geradores eléctricos são aparelhos que convertem energia mecânica em energia eléctrica. A energia mecânica é, por sua vez, produzida de energia química ou nuclear em diversos tipos de combustível, ou então é obtida a partir de fontes renováveis, tais como o vento ou a força da água.

As turbinas de vapor, os motores de combustão interna, as turbinas de combustão a gás, os motores eléctricos, as turbinas de água ou de vento, são os métodos mais comuns de fornecer a energia mecânica para tais aparelhos.

Os geradores elétricos são fabricados num vasto leque de tamanhos, desde as máquinas muito pequenas de poucos watts de potência, até aos de muito grande potência, que fornecem gigawatts de potência.

2.1-Princípio de funcionamento dos geradores

O funcionamento dos geradores elétricos de energia é baseado no fenómeno da indução electromagnética: sempre que um condutor se move proporcionalmente ao campo magnético, a voltagem é induzida no condutor.

Particularmente, se uma bobina está a girar num campo magnético, então os dois lados da bobina movem-se em direcções opostas e as voltagens induzidas acrescentam-se a cada lado.

Numericamente, o valor instantâneo da voltagem resultante (chamado força electromotriz, fme) é igual à menor taxa de conversão do fluxo magnético Φ vezes o número de voltas da turbine.

Esta relação foi descoberta em experiências e é conhecida como a lei de Faraday. O sinal menos aqui é devido à lei de Lenz, que determina que a direcção da força eletromotriz E é tal que o campo magnético da corrente induzida se opõe à mudança no fluxo que produz esta força eletromotriz. A lei de Lenz está relacionada com a conservação da energia.

Para uma maior clareza na animação exibida é mostrado um único laço condutor rectangular em vez de uma armadura com um conjunto de enrolamentos num núcleo de aço. Desde que a taxa de fluxo magnético mude através da bobina que gira a uma

velocidade constante, muda senoidalmente com a rotação, a voltagem produzida nos terminais da bobina é também senoidal (AC).

Se um circuito externo for ligado aos terminais da bobina, esta voltagem irá criar corrente através deste circuito, resultando em energia que é enviada para a carga.

Por conseguinte, a energia mecânica que faz girar a bobina é convertida em energia elétrica. Repare que a corrente carregada, por sua vez, cria um campo magnético que se opões à mudança do fluxo da bobina, então esta opõe-se ao movimento. A corrente mais alta, a maior força devem ser aplicadas na armadura para evitar que comece a abrandar. Na animação, a bobina é rodada através de uma manivela manual.

Na prática, a energia mecânica é produzida por turbinas ou motores chamados movimentadores primários. Num pequeno gerador eletrico AC a força motriz primária é habitualmente um motor rotativo de combustão interna.

Nos aparelhos disponíveis comercialmente é integrado um alternador com este motor, numa aplicação única. O aparelho daqui resultante é referido como sendo um conjunto motor-gerador ou um genset, embora casualmente seja, com frequência chamado apenas gerador.

Um genset é o tipo mais comum de fontes de energia de apoio para o seu lar ou para o seu negócio. Note que a produção de voltagem depende unicamente do movimento relativo entre a bobina e o campo magnético. A voltagem é induzida pela mesma lei da física, quer o campo magnético se mova por uma bobina fixa, quer a bobina se mova através de um campo magnético fixo

2.2-Tipos de geradores

Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta.

Além dos dois grupos mais gerais são geradores de corrente contínua e de corrente alternada os dínamos podem ser, quanto ao número de pólos, bipolares e multipolares; quanto ao enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitação, auto-excitados e de excitação independente.

O enrolamento em anel adoptado por Gramme está praticamente em desuso. O enrolamento induzido consiste num cilindro oco em torno do qual se enrola continuamente o fio isolado que constitui a bobina. O enrolamento em tambor, inventado por Siemens, consiste num cilindro em cuja superfície externa estão dispostas as bobinas do induzido.

Essas bobinas são colocadas em ranhuras existentes na superfície do tambor, sendo suas duas pontas soldadas às teclas do colector. Conforme a maneira como é feita essa ligação, os enrolamentos são classificados em imbricados e ondulados e podem ser regressivos ou progressivos.

A corrente para a excitação do campo magnético pode ser fornecida pelo próprio gerador. Nesse caso, diz-se que o gerador é auto-excitado. Quando a corrente para a excitação é fornecida por uma fonte exterior, o gerador é de excitação independente. De acordo com a forma de ligação entre as bobinas do indutor e do induzido nos geradores auto-excitados, diz-se que estes têm excitação dos tipos:

Série: quando as bobinas excitadoras são constituídas por poucas espiras de fio e ligadas em série com o induzido;

Shunt ou paralelo: quando o indutor e o induzido são ligados em derivação; Compound: quando existem bobinas excitadoras ligadas em série e em paralelo

com o induzido. Este é o tipo de excitação mais comumente usado nos dínamos.

Analogamente aos dínamos, os alternadores podem ter enrolamento imbricado ou ondulado. Podem ainda ter enrolamento em espiral e em cadeia. Naquele, as bobinas de um mesmo grupo são ligadas de tal maneira que o bobinamento final tem forma de espiral.

Quanto ao número de fases, os alternadores podem ser monofásicos, difásicos e trifásicos. Os geradores monofásicos são actualmente muito raros, já que a corrente monofásica pode ser obtida a partir de geradores trifásicos.

A outra diferença marcante está no campo indutor. O dínamo emprega o sistema de campo estacionário, enquanto o alternador é quase sempre de campo giratório. Isso torna possível a obtenção de maior potência eléctrica, reduz a necessidade de manutenção para assegurar o bom contacto entre escovas e anéis colectores e requer meios mais simples para fazer a ligação com o circuito externo.

O dínamo é formado das seguintes partes principais: carcaça, núcleo e peças polares, núcleo do induzido ou armadura, induzido, colector, escovas, porta-escovas, eixo e mancais. A carcaça é o suporte mecânico da máquina e serve também como cobertura externa. É normalmente construída de aço ou ferro fundido. Os pólos são feitos de aço-silício laminado, para reduzir ao máximo as perdas por corrente de Foucault, e as bobinas de campo são de fios de cobre. A armadura, peça que aloja as bobinas do induzido, é de aço laminado e possui condutores internos por onde se faz o resfriamento da máquina.

O colector consiste numa série de segmentos de cobre ou bronze fosforoso, isolados entre si por finíssimas lâminas de mica, que têm a forma externa perfeitamente cilíndrica. Ao colector são soldados os terminais das bobinas do induzido. As escovas, órgãos que colectam a corrente rectificada no colector, são de carvão e grafita ou metal e grafita. O porta-escovas é a armação metálica que mantém ajustadas as escovas de encontro ao colector.

Os mancais mais usados são os do tipo de luva, lubrificados por óleo, ou então do tipo de esferas ou rolamentos lubrificados a graxa. No alternador, não existe o colector. Quando o induzido é giratório, as escovas fazem contacto com anéis colectores, a partir das quais a corrente alternada gerada é transferida para o circuito externo.

Quando, ao contrário, o induzido é estacionário (caso mais frequente), o papel dos anéis colectores e escovas é conduzir a corrente contínua necessária para a excitação do campo girante. Nos alternadores de grande porte é comum a instalação, no mesmo eixo do rotor das máquinas, de um gerador de corrente contínua de menores proporções (denominado excitatriz) para o fornecimento dessa corrente.

2.3-Aplicações de geradores

Os geradores no geral tem uma ampla aplicação, desde pequenas fontes como geradores diesel, até grandes geradores usados para a geração de energia em grande

escala, aproveitando a energia potencial de varias forma como, armazenamento de agua, ventos e etc., propiciando a geração de energia em geradores

3.-Maquinas Síncronos

O motor síncrono é um tipo de motor eléctrico muito útil e confiável. Entretanto, pelo fato do motor síncrono ser raramente usado em pequenas potências, muitos que se sentem bem acostumados com o motor de indução, por causa de suas experiências com accionadores menores, se tornam apreensivos quando se deparam com a instalação de um motor síncrono nos seus sistemas

3.1-Constituição das Maquinas síncrono

Carcaça - Sua função principal é apoiar e proteger o motor, alojando também o pacote de chapas e enrolamento do estator.

Estator - Constituído por um pacote laminado de chapas de aço silício de alta qualidade, com ranhuras para alojar o enrolamento do estator, que opera com alimentação de potência em corrente alternada para gerar o campo magnético girante.

Rotor - O rotor é a parte móvel, pode ser construído com pólos lisos ou salientes dependendo das características construtivas do motor e da aplicação.

3.2-Principio de Funcionamento das Maquinas síncronas

Os motores síncronos possuem o estator e os enrolamentos de estator (armadura) bastante semelhante aos dos motores de indução trifásicos.

Assim como no motor de indução, a circulação de corrente no enrolamento distribuído do estator produz um fluxo magnético girante que progride em torno do entre-ferro.

3.3-Tipos de Maquinas síncronas

Máquina síncrona convencional com excita-triz interna: Os enrolamentos de campo são alimentados com corrente contínua a partir de um gerador interno também conhecido por excita-triz, acoplado directamente ao eixo da máquina. Neste tipo de máquina não há escovas reduzindo então as manutenções.

Máquina síncrona com ímã permanente: Não há enrolamentos de campo, que são substituídos por ímãs permanentes de alto produto energético. Não possui igualmente escovas ou fonte de tensão contínua, reduzindo com isto manutenções, aumentando o rendimento e com melhor relação torque.

Máquina síncrona de relutância: Neste tipo de máquina, não há enrolamentos de campo. O rotor é construído com saliências (polos salientes) que, devido ao efeito da mínima relutância, giram em sincronismo com o campo girante do estator.

3.4-Aplicações

Os motores síncronos são fabricados especificamente para atender as necessidades de cada aplicação. Citamos aqui alguns locais onde se usam motores síncronos:

Siderurgia - (laminadores, ventiladores, bombas, compressores); Química e petroquímica-(compressores, ventiladores, exaustores);

4.-Maquinas Assíncronas

O motor assíncrono é constituído basicamente pelos seguintes elementos: um circuito magnético estático, constituído por chapas ferro magnéticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se dá o nome de estator; por bobinas localizadas em cavidades abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada; por um rotor constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator.

4.1-Princípios de Funcionamento das Maquinas Assíncronas

A partir do momento que os enrolamentos localizados nas cavidades do estator são sujeitos a uma corrente alternada, gera-se um campo magnético no estator, consequentemente, no rotor surge uma força electromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. Como podemos constatar o princípio de funcionamento do motor de indução baseia-se em duas leis do Electromagnetismo, a Lei de Lenz e a Lei de Faraday.

Faraday: "Sempre que através da superfície abraçada por um circuito tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse circuito uma força electromotriz induzida. Se o circuito é fechado será percorrido por uma corrente induzida".

Lenz: "O sentido da corrente induzida é tal que esta pelas suas acções magnéticas tende sempre a opor-se à causa que lhe deu origem".

4.2-Tipos de Maquinas Assíncronas

Gaiola de Esquilo - Este é o motor mais utilizado na indústria actualmente. Tem a vantagem de ser mais económico em relação aos motores monofásicos tanto na sua construção como na sua utilização. Além disso, escolhendo o método de arranque ideal, tem um leque muito maior de aplicações.

O rotor em gaiola de esquilo é constituído por um núcleo de chapas ferro-magnéticas, isoladas entre si, sobre o qual são colocadas barras de alumínio (condutores), dispostos paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores, também em alumínio, que curto-circuitam os condutores.

Bobinado: permite acesso aos enrolamentos rotóricos através de anéis colectores para realização de, por exemplo, controle de velocidade do motor;

O enrolamento do induzido é constituído por condutores de cobre isolados entre si e montados nas ranhuras do rotor. O conjugado no arranque, deste tipo de motor, é bem melhor porque podemos inserir resistores em série com as fases do enrolamento do rotor. Há tipos em que os resistores são montados no rotor e eliminados quando a máquina atinge a sua velocidade normal, através de mecanismos centrífugos.

4.3-Aplicação das Maquinas Assíncronas

O motor assíncrono tem actualmente uma aplicação muito grande tanto na indústria como em utilizações domésticas, dada a sua grande robustez, baixo preço, arranque fácil (pode mesmo ser directo, em motores de baixa potência). Não possui colector (órgão delicado e caro) tratando-se de um gaiola de esquilo; não produz faíscas e tem portanto uma manutenção muito mais reduzida do que qualquer outro motor.

4.4-Aplicações

Na figura seguinte visualiza-se um organograma da utilização de motores Assíncronos

Conclusão