CAPÍTULO 2 - TIPOS DE MÁQUINAS ASSÍNCRONAS TRIFÁSICAS

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1 CAPÍTULO 2 - TIPOS DE MÁQUINAS ASSÍNCRONAS TRIFÁSICAS 2.1 INTRODUÇÃO O objetivo do presente trabalho é estudar o funcionamento em regime permanente e em regime dinâmico da Máquina Assíncrona Trifásica Brushless em Cascata Duplamente Alimentada (MATBCDA). Porém, com o objetivo de dar uma visão geral, analisaremos resumidamente os diversos tipos de máquinas assíncronas existentes. 2.2 MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA COM ROTOR DE GAIOLA COM ALIMENTAÇÃO ÚNICA [MATRGAU] Quando o estator da máquina está ligado diretam ente na rede a velocidade é constante, não permitindo controle. Quando conectada à rede através do conversor, o módulo DC do conversor desacopla a freqüência do estator da freqüência da rede. Variando-se a freqüência do estator é possível variar a velocidade da máquina. A Figura abaixo mostra esquematicamente esta solução. Para aplicação como motor é uma excelente solução porque apresenta a vantagem de ser compacta, robusta e de baixa manutenção.

2 4 Para aplicações como gerador, principalmente eólico, apresenta duas desvantagens: a) A faixa de variação de velocidade é pequena devido a saturação do núcleo magnético. Para minimizar esta desvantagem são usadas máquinas de dupla polaridade; b) Custo do conversor muito alto. Porque toda a potência passa pelo conversor e portanto exige que o conversor tenha a mesma potência nominal do gerador. Apesar das duas desvantagens citadas, é bastante usada na geração eólica, em turbinas de menor potência (Potência < 750 kw). Para aumentar a faixa de variação de velocidade, normalmente o estator é constituído de dois enrolamentos (dupla polaridade). 2.3 MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA COM ROTOR DE GAIOLA DUPLAMENTE ALIMENTADA [MATRGDA) Nesta solução a máquina assíncrona apresenta um só estator e um só rotor. No estator são colocados dois enrolamentos independentes senoidalmente distribuídos no entreferro da máquina, ocupando as mesmas ranhuras. Para evitar o efeito transformador é necessário que os dois enrolamentos tenham números de pólos diferentes. Para minimizar o empuxo magnético desbalancead o sobre o rotor, a diferença entre números de pólos deve ser superior a (2) dois. A Figura mostra esquematicamente esta solução. Para que o rotor seja capaz de interagir com os dois diferentes campos do estator é preciso que a gaiola tenha um desenho especial.

3 5 O rotor deverá ter um número de barras igual a soma dos números de pares de pólos dos enrolamentos do estator, ou seja: N = p + p (2.3.1) barras p a Onde: p p p a = = Número de pares de pólos do enrolamento principal do estator que está ligado diretamente na rede Número de par de pólos do enrolamento auxiliar do estator que está ligado ao conversor Estas barras são curto-circuitadas por dois anéis de curto-circuito um de cada lado do pacote formando uma gaiola de esquilo. Entre estas barras são colocadas dois ou mais loops fechados de barras que estão isolados entre si. Quanto maior o número de loops melhor para atenuar o conteúdo harmônico induzido na gaiola. Usualmente o número de loops varia de 2 a 5, dependendo do espaço disponível. A Figura mostra a gaiola soldada em cobre para uma máquina cujo enrolamento principal é de 6 pólos e o enrolamento auxiliar é de 2 pólos. Como no loop mais externo circula a maior corrente, no desenho da gaiola devemos considerar as barras externas com seção transversal maior. máquina. Na Figura é mostrado a gaiola com alumínio injetado planificada para a mesma

4 6 O processo de construção desta gaiola é bastante complicado, exigindo diferentes tipos de chapa para montagem do núcleo magnético do rotor. Além disso, os loops internos não abrangem todo o comprimento do pacote de chapas. As vantagens dessa solução são basicamente: Máquina compacta e robusta; Potência do conversor menor, dependendo do intervalo da rotação; Suas principais desvantagens: Desenho especial do enrolamento do estator e rotor; Sobredimensionamento do núcleo magnético; Maior ruído devido aos dois campos magnéticos; Maiores perdas suplementares. Esta máquina até hoje em dia não é fabricada porque os estudos teóricos foram feitos apenas para máquinas pequenas. 2.4 MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA COM ROTOR BOBINADO COM ALIMENTAÇÃO ÚNICA [MATRBAU] Nesta solução a máquina apresenta um enrolamento no estator e outro no rotor. Esta máquina é usada nas aplicações onde se requer uma aceleração pesada (grandes torques ou inércias). Durante a partida, o rotor da máquina é conectada a um banco de resistências e o estator diretamente na rede.

5 7 A Figura abaixo mostra esquematicamente esta solução. Após a partida o rotor é curto-circuitado e somente o estator permanece conectado à rede. Quando se deseja fazer uma pequena regulação de velocidade é necessário manter uma resistência adicional conectada ao circuito rotórico. A desvantagem é a manutenção constante devido ao uso de anéis coletores e escovas. 2.5 MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA COM ROTOR BOBINADO DUPLAMENTE ALIMENTADA [MATRBDA] Esta solução apresenta a máquina assíncrona com dois enrolamentos, um no estator e outro no rotor. O estator é conectado diretamente à rede elétrica. O rotor é conectado à rede através do conversor. A Figura mostra esta solução.

6 8 A grande vantagem desta solução é que o conversor está conectado diretamente ao rotor fazendo com que sua potência seja bem menor que a da máquina. A potência nominal do conversor é da ordem de 1/3 da máquina. Quando a rede é de alt a tensão o conversor pode ser construído em baixa tensão e ser conectado a rede através de um transformador. Estas duas características fazem com que o custo do conjunto máquina/conversor seja bem menor. A vantagem desta, é a capacidade de trabalhar como gerador em uma ampla faixa de rotação. Esta característica permite a aplicação deste gerador tanto em turbinas eólicas como em turbinas hidráulicas. A desvantagem é que esta solução exige a utilização de anéis e escovas aumentando a necessidade de manutenção. 2.6 MÁQUINA ASSÍNCRONA BRUSHLESS EM CASCATA DUPLAMENTE ALIMENTADA [MATBCDA] Esta solução é constituída por duas máquinas assíncronas trifásicas separadas, montadas sobre o mesmo eixo. A máquina cujo estator está ligado diretamente à rede chamaremos de Máquina Principal e a outra, cujo estator está ligado à rede através do conversor, chamaremos de Máquina Auxiliar. Os dois rotores são separados e seus enrolamentos são conectados eletricamente em CASCATA. A Figura abaixo mostra um diagrama esquemático desta solução.

7 9 As duas máquinas podem ter qualquer combinação de pólos. Os dois rotores podem ser conectados em cascata de duas maneiras: Ligação MAIS quando os rotores estão conectados eletricamente na seqüência de fase cujos conjugados se somam; Ligação MENOS quando os rotores estão conectados eletricamente na seqüência de fase cujos conjugados se subtraem. A principal desvantagem: Máquina dupla fazendo com que, mecanicamente, seja mais comprida. As principais vantagens: Baixa manutenção Máquina Brushless; Aplicação com controle vetorial; Menor ruído Menores perdas suplementares Maior rendimento Custo do conjunto máquina + conversor menor O objetivo do presente trabalho é estudar detalhadamente o funcionamento desta alternativa, ou seja, da Máquina Assíncrona Trifásica Brushless em Cascata Duplamente Alimentada [MATBCDA].

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