O que são máquinas elétricas autoexcitadas?

As máquinas elétricas exigem que se tenha fluxo magnético para que tensões

sejam induzidas ou torques sejam desenvolvidos, porém algumas máquinas, do tipo autoexcitadas, não utilizam uma fonte específica para isto, tendo apenas a fonte de potência elétrica

Em artigo já publicado neste blog (ver referência [1] ou clique aqui) discutiu-se o que é a excitação nas máquinas elétricas. Nem todas elas precisam de uma fonte de Fmm ou de um ímã para criação do campo magnético de excitação: foram os casos discutidos dos motores de indução com rotor em gaiola e dos

transformadores. Já a máquina síncrona trifásica discutida, que tem seu enrolamento de estator conectado a uma fonte trifásica, pode ter duas construções no rotor: 1. com ímãs permanentes ou; 2. com enrolamento alimentado por corrente contínua através de uma outra fonte de tensão.

Apesar dos transformadores e motores de indução com rotor em gaiola não precisarem de duas fontes, eles não são comumente chamados de máquinas autoexcitadas; o mesmo pode-se dizer em relação à máquina síncrona de ímãs permanentes, que também só precisa de uma fonte de tensão, mas a excitação é feita por um outro item, neste caso o ímã. São chamadas de máquinas autoexcitadas aquelas que podem ser construídas para operar com duas fontes de tensão (uma para o circuito de armadura, relacionado à potência, e outra para o circuito de excitação, para criação de campo magnético) e que com pequenas modificações (tipicamente apenas mudanças nas conexões elétricas) podem ter o circuito de excitação conectados ao de armadura de forma que uma única fonte possa ser empregada para alimentação da armadura e da excitação. A definição de autoexcitação precisará ser ampliada e isto será feito ainda no presente artigo.

Certamente o conceito de autoexcitação é muito utilizado para as máquinas de corrente contínua (MCC), pois seja na operação como motor ou como gerador, era muito comum que as versões autoexcitadas fossem empregadas. Saliente-se que o tempo verbal utilizado foi o passado, pois atualmente as MCC são bem menos utilizadas, mas isto será tema de outro artigo.

A construção da MCC tem semelhança às outras máquinas rotativas: um estator e um rotor, sendo que ambos podem ter enrolamentos: um para criar potência (na MCC o circuito de armadura fica no rotor) e outro para criar campo magnético (na MCC o circuito de excitação fica no estator). Assim como na máquina síncrona pode-se substituir o enrolamento de excitação por ímãs permanentes, mas no presente artigo será dado destaque apenas à MCC com os dois enrolamentos (de armadura e de excitação). Estes podem ser alimentados por duas fontes diferentes (chama-se esta de MCC excitação separada ou MCC excitação

independente), mas pode-se também associar os circuitos de armadura e de excitação em série, de forma que a corrente de armadura seja a mesma corrente de excitação (esta máquina é chamada de MCC excitação série). Outra alternativa é fazer a associação em paralelo, de forma que a tensão do circuito de armadura e de excitação sejam iguais (esta máquina é chamada de MCC em derivação ou MCC shunt). Pode-se ainda utilizar os dois circuitos de excitação (um em série e outro em paralelo ao circuito de armadura) e cria-se assim o que se chama de MCC composta. Há pequenas variações na MCC composta, pois o circuito paralelo

pode estar mais próximo aos terminais da alimentação que o série e vice-versa; pode-se também fazer os fluxos magnéticos criados pelos enrolamentos série e paralelo se somarem ou se subtraírem. Estes tipos de conexões viabilizam o uso de uma única fonte para todos os circuitos utilizados. Por não precisar de fonte específica para criar campo magnético, chama-se os MCC série, em derivação e compostos de MCC autoexcitados. Para entender melhor estes conceitos veja as videoaulas sobre motores e geradores autoexcitados disponibilizadas no final desta página. Para ainda mais detalhes considere consultar as referências [2] e [3].

Outro exemplo de máquina CA autoexcitada é o gerador de indução com rotor em gaiola (GIG) quando opera isolado da rede elétrica. Antes de tratar da operação isolado, considere o GIG operando conectado à rede elétrica: ele fornece potência ativa ao sistema elétrico, mas consome potências ativa e reativa para suprir as perdas magnéticas do núcleo e sua corrente de magnetização, respectivamente: a soma fasorial destas correntes relacionadas com perdas magnéticas nucleares e criação de campo magnético é a chamada corrente de excitação do GIG. É a rede elétrica que fornece a potência reativa necessária para a criação do campo magnético.

Quando o GIG está isolado da rede elétrica, ou seja, quando tem que fornecer potência para operação de instalações que não estão interligadas ao sistema elétrico surge a necessidade de ser ter alguma fonte para fornecimento da potência reativa, já que a máquina precisa da corrente para criação do campo magnético, responsável pela indução das tensões e criação de torque eletromagnético. Para isto são utilizados capacitores conectados ao circuito de estator, assim estes se tornam os fornecedores da potência reativa necessária. O GIG isolado operando com capacitores conectados ao seu enrolamento de estator é chamado de GIG autoexcitado. Fica a pergunta: se há uma fonte de potência reativa, por que motivo é dito que o GIG é autoexcitado, ou seja, por que é dito que ele excita a si próprio? É que o capacitor é um componente passivo e de fato não fornece potência nenhuma: a potência média num ciclo é nula nos capacitores e nos indutores, sendo os termos fornecer e consumir potência reativa jargões da engenharia elétrica devido aos sinais negativo e positivo da potência reativa dos capacitores e indutores, respectivamente. Vê-se que se uma fonte ativa (que de fato gera energia elétrica) é empregada para excitar um sistema, então o sistema tem uma excitação independente ou separada.

Como dito previamente no presente artigo, o conceito de autoexcitação precisa ser ampliado. Então pode-se dizer, para que a definição contemple o jargão da engenharia, que máquinas autoexcitadas são máquinas que podem operar com uma fonte que alimenta os circuitos de armadura e de excitação ou máquinas cuja componente da excitação da corrente seja fornecida por um componente passivo. A presente discussão é complementar àquela feita no artigo da referência [1] que pode ser acessado aqui.

Referências

[1] Santana, E. S. "O que é a excitação de uma máquina elétrica CA?". Endereço web: https://www.eudemario.com.br/post/o-que-%C3%A9-a-excita%C3%A7%C3%A3o-de-uma-m%C3%A1quina-el%C3%A9trica-ca. 2021

[2] Bim, E. "Máquinas elétricas e acionamentos". 4ª ed. Elsevier. 2020. aqui

[3] Sen, P. C. "Principles of electric machines and power electronics". 2ª ed. John Wiley & Sons. 1997. aqui

Motores CC autoexcitados:

Geradores CC autoexcitados:

Para saber mais sobre a operação do GIG, veja videoaula a seguir: