Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Décimo Quinto Encontro Regional
Ibero-americano do CIGRÉ
Foz do Iguaçu-PR, Brasil
19 a 23 de maio de 2013
VARIAÇÃO DO ENTREFERRO DE HIDROGERADORES DURANTE A
OPERAÇÃO
S. A. B. Pitta*
L. C. C. S. M. e Silva*
*Anditz Hydro Inepar do Brasil S.A.
M. Giesbrecht*
RESUMO
Uma vez que nas máquinas elétricas algumas das características elétricas, tais como Corrente de
Excitação, Reatâncias, Constantes de Tempo, etc., são funções da dimensão física do entreferro,
cuidados devem ser tomados durante a fabricação e montagem para que se alcance o entreferro de
projeto .
Dependendo do modo construtivo, o entreferro pode chegar a variar cerca de 10% desde a montagem
até a entrada em operação comercial, após passar pelos ensaios de colocação em operação,
comissionamento e aceitação.
Com o aumento das dimensões físicas dos geradores, as Especificações Técnicas deveriam definir,
principalmente para as características garantidas, em que condições esta característica elétrica está
sendo considerada, pois existe uma variação na dimensão física do entreferro com a máquina operando
em vazio ou em carga, na rotação nominal ou em sobre-velocidade/disparo.
Podemos dizer que um gerador possui pelo menos 5 (cinco) “entreferros”:
1.
Quando da montagem, na temperatura ambiente.
2.
Após o ensaio de sobre-velocidade, com a acomodação dos tirantes nos furos do anel
magnético e a temperatura ambiente.
3.
Em vazio, durante os ensaios de características, na temperatura ambiente e rotação nominal.
4.
Em operação a plena carga na rotação nominal, com o estator e rotor aquecidos e esforços
magnéticos presentes.
5.
Na velocidade de disparo.
O projeto da máquina elétrica deve levar em conta estas várias situações, uma vez que a verificação de
certas características se dá com a máquina operando sem carga, na temperatura ambiente e na rotação
nominal, enquanto outras características são verificadas em carga com a máquina elétrica aquecida e
com os esforços magnéticos presentes.
PALAVRAS-CHAVE
Entreferro, Reatância, Geradores, Máquinas,
Projeto, Esforços.
Especificações, Parâmetros Elétricos, Velocidade,
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1.
INTRODUÇÃO
Entreferro é a distância mecânica entre a parte estática e a parte rotativa da máquina elétrica.
O entreferro de uma máquina elétrica é função principalmente do processo de construção e montagem
do rotor e estator. Conforme as condições de operação poderão ocorrer alterações no entreferro
devido a variações mecânicas, térmicas e magnéticas ocorridas no rotor e no estator.
A parte estática da máquina elétrica é constituída da carcaça, do núcleo laminado e do enrolamento.
Chavetas ou pinos radiais entre a carcaça do estator e as placas de fundação garantirão a
concentricidade do estator bem como permitirão o deslocamento radial da mesma causada pela
expansão térmica do núcleo, reduzindo desta maneira a força de compressão entre núcleo e carcaça,
minimizando assim as possíveis ondulações do núcleo causadas por esta força.
A parte rotativa da máquina normalmente é constituída por uma estrutura central, do anel magnético
laminado e dos pólos montados na periferia do anel magnético.
Na maioria das máquinas, o anel magnético é fabricado a partir chapas de aço de alta resistência
mecânica, estampadas em segmentos de círculo e montadas na periferia da armação do rotor. Estes
segmentos serão montados formando círculos completos e empilhados em camadas até a altura
necessária do anel magnético.
Estes segmentos empilhados são mantidos compactados através de tirantes passantes nos furos das
lâminas do anel magnético. Tanto o diâmetro dos tirantes quanto o diâmetro dos furos são projetados
para garantir a menor folga entre ambos para que o conjunto depois de montado constitua um conjunto
rígido.
Em algumas máquinas, como por exemplo, geradores tipo Bulbo, o anel magnético consiste de uma
coroa em aço calandrado fixada ao cubo do rotor por meio de um disco que serve como
armação do rotor. Os pólos são fixados à coroa através de parafusos/tirantes.
Veja figura 1 abaixo.
Figura 1: Fluxo magnético - Entreferro
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A variação do diâmetro interno do núcleo do estator pode ocorrer devido:
1. Às diferenças de temperatura
2. A expansão radial (assumindo liberdade total de expansão):
3. As forcas eletromagnéticas
A variação do diâmetro interno do rotor pode ocorrer devido:
1. A força centrífuga
2. Ao escorregamento entre lâminas
3. Às forças magnéticas:
4. Às diferenças de temperatura
Uma vez que o problema é linear, a combinação de todos os deslocamentos pode ser somada
por superposição para obtermos a variação total do entreferro devidos a todos os efeitos.
2.
COMPORTAMENTO DO ENTREFERRO
A figura 2 mostra dados típicos de entrada e saída de um cálculo usado no dimensionamento do
entreferro.
Figura 2: Dados típicos de entrada e saída de um cálculo do entreferro
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Este cálculo leva em consideração as dimensões da máquina, o efeito térmico, a interferência de
montagem, os efeitos magnéticos, força centrífuga, etc., determinando o valor da variação do
entreferro nos vários componentes sujeitos a estes esforços nas condições “com excitação” e “com
excitação e efeito térmico”.
Estes cálculos permitem definir qual deve ser o entreferro de fabricação / montagem para que durante
a operação normal o entreferro seja aquele usado no cálculo eletromagnético da máquina.
O entreferro é de grande importância na operação de máquinas elétricas, visto que algumas
características elétricas dependentes dele são valores garantidos, sujeitos inclusive a multas caso o
valor informado não seja atingido.
Em uma máquina elétrica, o fluxo magnético no entreferro induz forcas eletromagnéticas radiais e
tangenciais entre o rotor e o estator do gerador
3.
FORÇAS MAGNÉTICAS
Os campos magnéticos rotativos no entreferro são de suma importância para o funcionamento das
máquinas de CA, pois os processos de conversão de energia e indução de tensão estão diretamente
relacionados com estes campos. Os campos magnéticos nas demais partes da máquina são em geral
menores que no entreferro quando se analisa o comportamento das máquinas elétricas.
A descrição dos campos no entreferro é tradicionalmente feita baseada no conceito de força
magnetomotriz e está diretamente relacionada com o a indução magnética no entreferro.
Os conceitos de força magnetomotriz, fluxo, indução e relutância são, portanto, indispensáveis para o
estudo de máquinas elétricas.
O que distingue uma máquina elétrica na sua operação como motor ou gerador é o sentido do percurso
da energia através dela: no gerador, a energia mecânica “entra” na máquina pelo eixo do rotor,
atravessa, por meio do fluxo magnético o entreferro é convertida em energia elétrica e “sai” pelos
terminais do estator.
Em cada condição de operação há um comportamento peculiar que pode ser previsto através de
cálculos e que vai de encontro a filosofias de controle desta grandeza.
O fluxo magnético no entreferro induz forcas eletromagnéticas radiais e tangenciais entre o rotor e o
estator do gerador. Se o rotor estiver perfeitamente centrado e simétrico em relação ao estator, as
forças radiais eletromagnéticas se anulam e as forças tangenciais produzem o torque para a rotação do
rotor. Na prática, porém, devido à existência de variações na geometria, os eixos do rotor e do estator
quase nunca coincidem perfeitamente; com a maioria das máquinas elétricas funciona com certo grau
excentricidade, causando um desequilíbrio das forcas eletromagnéticas que agem entre o rotor e o
estator. Dependendo da magnitude da excentricidade, a forca eletromagnética resultante pode ser
significativa, agindo aproximadamente na direção do menor entreferro, aumentando a magnitude da
excentricidade e podendo causar sérios danos a máquina elétrica.
Quando o entreferro é pequeno, o rotor é atraído por um campo magnético cada vez maior (variação
quadrática) devido a proximidade com o estator, podendo acontecer um contato dos pólos com o
diâmetro interno do estator causando muitas vezes danos no núcleo, no enrolamento do estator e nos
pólos do rotor.
3.1
Monitoramento
Para evitar e antecipar possíveis ocorrências devido à variação no entreferro de máquinas elétricas, é
recomendável a utilização de um sistema de monitoramento do entreferro. Este monitoramento pode
ser por meio de sistemas ótico ou capacitivo.
Quando utilizado em conjunto com outros sistemas de monitoramento, tais como de nível de vibração
e temperatura, torna-se uma ferramenta altamente eficaz na determinação em tempo real das condições
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da máquina, permitindo antecipar a ocorrência de possíveis falhas e otimizar o intervalo entre
intervenções e paradas para manutenção.
4.
CONCLUSÃO
Uma vez que existe a possibilidade de variação do entreferro devido a fatores térmico, mecânicos e
magnéticos é recomendável que cuidados sejam tomados quando da montagem e manutenção da
máquina principalmente no que diz respeito à circularidade do estator e rotor, alinhamento dos eixos,
centragem dos mancais, etc.
É importante que durante a montagem e durante as manutenções sejam seguidos o manual de
montagem e manual de operação e manutenção e desenhos fornecidos pelo fabricante do equipamento.
BIBLIOGRAFIA
[1]
Manual de Desenho de Hidrogeradores, Equipamentos Villares SA, divisão VIGESA,
1991
[2]
IEC Standard 34-1. 1994. Rotating Electrical Machines - Part 1: Rating andperformance. Ninth
edition. International Electrotechnical Commission. Geneva,Switzerland.
NEMA Standards Publication MG-1-2006 – Part 30 and 31
[3]
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