O que é a excitação de uma máquina elétrica CA?

O processo de conversão eletromecânica de energia é feito com a utilização de

campo magnético para que se crie tensão induzida ou torque. Há uma parcela da corrente responsável pela transferência de potência (corrente de armadura) e outra pela criação deste campo magnético previamente citado (é a corrente de excitação)

Pode-se dizer de forma genérica que a excitação é a parte da máquina elétrica (ME) responsável por criar campo magnético com o propósito de induzir tensão, via a lei de Faraday, noutra parte da ME ou de criar torque no rotor para que o processo de conversão eletromecânico de energia ocorra. Ainda que verdadeira, a sentença acima não permite a um leigo entender o que é a excitação de uma ME e por isto este tema será desenvolvido na sequência. No decorrer do artigo os termos CA e CC serão empregados para definir grandezas alternadas senoidais e contínuas,

respectivamente. O conteúdo descrito pode ser encontrado em qualquer bom livro de máquinas elétricas, como, por exemplo, as referências [1] e [2].

O transformador, que é uma ME estática e converte as magnitudes das tensão e corrente, possui dois enrolamentos: um primário (que recebe a potência da fonte) e outro secundário (que oferta potência à carga). Ao conectar uma fonte de tensão CA no enrolamento primário o campo magnético CA confinado no núcleo induz, via lei de Faraday, tensão no próprio enrolamento primário e também no enrolamento secundário (considere-o no momento sem carga conectada). O campo magnético criado é proporcional à quantidade de espiras do enrolamento primário e à intensidade da corrente que por este circula: diz-se que o campo magnético foi criado por uma fonte de força magnetomotriz (Fmm): veja aula no fim desta página para saber mais sobre a Fmm. Esta corrente descrita é chamada de corrente de excitação. Se uma carga for conectada ao enrolamento secundário, então a corrente aumentará no enrolamento primário, já que este drenará potência da fonte, então surge uma segunda componente de corrente a ser fasorialmente somada à corrente de excitação: é a componente de potência, neste caso também chamada de componente de carga. Então o transformador possui duas componentes de corrente no primário na sua operação normal: a de excitação e a de potência.

Nas ME rotativas, que podem operar como motores ou geradores, há peculiaridades sobre as componentes de correntes de excitação e de potência. Por exemplo, na máquina síncrona a excitação está no rotor (parte móvel rotativa) e pode ser criada de duas formas: com ímãs permanentes ou com um enrolamento pelo qual flui corrente contínua. Já o enrolamento de estator é trifásico, ou seja, suas tensão e corrente são CA. Além de potência elétrica - fornecida pela fonte ao enrolamento de estator, no caso da operação motor, ou fornecida para a fonte pelo enrolamento de estator, no caso da operação gerador - as corrente equilibradas do enrolamento trifásico de estator criam um campo magnético girante, que irá interagir com o campo magnético criado no rotor pela corrente de excitação ou pelos ímã permanentes e a máquina desenvolverá torque. O enrolamento no qual flui a potência (no caso da máquina síncrona é o de estator) é chamado de enrolamento de armadura, enquanto que o enrolamento que cria o fluxo magnético para fins de desenvolvimento de torque é chamado de enrolamento de excitação ou de campo (no caso da máquina síncrona é o de rotor). Duas

observações devem ser feitas neste momento:

1. o transformador tem as componentes de excitação e de potência no mesmo enrolamento (o primário), por isto, nele não há uma armadura e uma excitação para serem discutidas separadamente;

2. no caso da máquina síncrona ser construída com ímãs permanentes o campo magnético é criado sem uma fonte de força magnetomotriz, pois não possui espiras sendo percorridas por correntes elétricas. A desvantagem de utilizar ímãs permanentes é que o campo magnético criado não pode ser alterado durante a operação, diferentemente da fonte de Fmm que pode ser modificada com a alteração da corrente elétrica.

Na operação como motor elétrico, a máquina que merece destaque é o motor de indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo (MIT-RGE): veja videoaula no final desta página para ver sua construção e princípio de operação. O enrolamento em gaiola no rotor é curto-circuitado e, por isto, este motor só possui uma única alimentação, que é fornecida pela fonte via enrolamento trifásico de estator. Este motor, portanto, não tem como possuir excitação

e armadura separadas, sendo que a corrente de estator possui uma componente de excitação e outra componente de potência, aqui também chamada de componente de carga. A semelhança com o transformador é bem grande, tanto é que o modelo de circuito que descreve a operação de ambos em regime permanente e fornecendo potência a uma carga tem topologia idêntica. A diferença em relação ao transformador é que no MIT-RGE a componente de excitação da corrente de estator cria um campo magnético girante que induz tensão no enrolamento do rotor, que por ser curto-circuitado, tem sua própria corrente, que também cria um campo magnético girante de rotor: a interação entre os campos magnéticos de estator e de rotor desenvolve torque eletromagnético para que este motor possa movimentar a carga acoplada mecanicamente ao eixo do rotor.

Referências

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

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

Conceitos densidade e fluxo magnéticos e de força magnetomotriz. Veja videoaula a seguir:

Veja videoaula sobre como modelar a excitação em um transformadores:

Construção e princípio de operação da máquina de indução são discutidos na videoaula a seguir: