A energia eólica tornou-se uma pedra angular do mix global de energias renováveis, com turbinas a atingirem capacidades de vários megawatts e diâmetros de rotor superiores a 150 metros. Dentro de cada nacela de turbina eólica há um gerador – geralmente um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) ou um gerador síncrono de ímã permanente de acionamento direto – cujo estator é um monumento da engenharia eletromecânica. O enrolamento do estator para esses geradores enormes é um desafio de fabricação formidável, exigindo máquinas de enrolamento do estator para serviço pesado que possam lidar com condutores de cobre de seção transversal grande, pilhas de núcleos de várias toneladas e os mais altos padrões de confiabilidade. Este artigo mergulha no mundo dos equipamentos de enrolamento do estator de turbinas eólicas e como eles garantem que esses gigantes da energia verde operem perfeitamente por décadas.

Ao contrário dos motores pequenos, os estatores dos geradores de turbinas eólicas empregam bobinas formadas ou barras Roebel feitas de múltiplos fios de condutor de cobre retangular, isolados com fitas à base de mica e sistemas de resina. No entanto, em alguns geradores de gama média e DFIG, enrolamentos distribuídos aleatoriamente usando fio magnético redondo ou retangular ainda são comuns. A máquina de enrolamento do estator para essas aplicações é um sistema de estilo pórtico ou de plataforma giratória especialmente construído que insere bobinas pré-formadas ou as enrola diretamente nas ranhuras do núcleo.

Para inserção direta da bobina, a máquina utiliza atuadores hidráulicos ou servoelétricos para empurrar as bobinas nas ranhuras do estator. Os revestimentos e separadores das ranhuras são pré-instalados e a bobinadeira guia cuidadosamente as pernas da bobina no lugar sem danificar o isolamento. Cunhas são então inseridas para fixar as bobinas. Este processo exige um elevado grau de coordenação e controlo de força; as modernas máquinas de enrolamento do estator usam transdutores de pressão e alinhamento a laser para garantir que as bobinas estejam assentadas corretamente. Uma bobina que não esteja totalmente inserida provoca bolsas de ar, descarga parcial e eventual falha de isolamento – um risco inaceitável em uma nacele a 100 metros acima do solo.

Para enrolamento contínuo do fio no estator, a máquina pode empregar um grande braço giratório que alimenta o fio à medida que o estator é indexado. Como os núcleos podem pesar várias toneladas, a máquina de enrolamento do estator deve ter uma base maciça e rígida e rolamentos de precisão que possam girar suavemente a peça de trabalho. A tensão do enrolamento para fios de bitola pesada deve ser alta o suficiente para produzir uma bobina densa, mas controlada com precisão para evitar tensão no isolamento.

Os geradores de turbinas eólicas operam em média tensão (normalmente 690 V a 3300 V), e os sistemas conectados à rede estão sujeitos a picos de tensão causados ​​por comutação de conversores e quedas de raios. O papel da máquina de enrolamento do estator na preservação da integridade do isolamento não pode ser exagerado. Durante todo o processo de enrolamento, deve-se evitar cortes, abrasões ou dobras no isolamento da espira. Algumas máquinas são equipadas com monitoramento contínuo do isolamento, aplicando um teste CC de baixa tensão durante o enrolamento para detectar qualquer violação no instante em que ela ocorre. Se for detectada uma falha, a máquina para imediatamente, permitindo que o operador do enrolamento repare o isolamento antes que a bobina esteja totalmente inserida.

A formação dos enrolamentos finais e a amarração das bobinas aos anéis de suporte também são etapas críticas. As bobinadeiras modernas integram estações de amarração automatizadas que utilizam cordão de poliéster ou fibra de vidro para unir firmemente as extensões da bobina, evitando o movimento causado por forças eletromagnéticas durante a operação do gerador. Estas forças podem ser enormes durante falhas na rede, por isso o padrão de amarração e a tensão são cuidadosamente controlados.

Em aplicações eólicas offshore, os geradores PM de acionamento direto são preferidos por sua baixa manutenção, pois eliminam a caixa de engrenagens. Seus estatores têm um diâmetro muito grande (vários metros) e uma grande contagem de pólos. O enrolamento do estator para um gerador PM de acionamento direto geralmente envolve o enrolamento de dentes segmentados individuais usando uma máquina bobinadora de agulha e, em seguida, a montagem dos dentes em um anel. Esta abordagem segmentada permite um alto preenchimento de ranhuras e um manuseio mais fácil. A máquina de enrolamento do estator usada para cada segmento é um enrolador de agulhas especializado que pode acomodar um comprimento de dente de mais de um metro, com uma guia de fio que se telescópica e retrai com precisão. A máquina garante que cada dente maciço receba um posicionamento de enrolamento idêntico, o que é crucial para o equilíbrio magnético do gerador.

Enrolar manualmente grandes bobinas do estator é ergonomicamente perigoso e inconsistente. As máquinas de enrolamento de estator para serviços pesados ​​automatizam as tarefas mais exigentes fisicamente, como levantar e inserir bobinas, cortar isolamento e aplicar cunhas. Robôs colaborativos (cobots) trabalham cada vez mais ao lado dessas máquinas, realizando tarefas como guiamento de fios e manuseio de materiais. Os sistemas de controle da máquina incluem intertravamentos de segurança e cortinas de luz para proteger os operadores de peças móveis, atendendo aos rígidos padrões de segurança da fabricação industrial.

A máquina de enrolamento de estator para serviços pesados ​​para geradores de turbinas eólicas combina força bruta com precisão delicada. Ele lida de forma confiável com condutores de cobre maciços, protege o isolamento de alta tensão e contribui para a operação perfeita de turbinas eólicas que devem gerar energia por 20 anos ou mais com intervenção mínima. À medida que a energia eólica continua o seu crescimento exponencial, as máquinas que alimentam os corações destes geradores continuarão a ser um elo crítico na cadeia energética sustentável, garantindo que a promessa de energia limpa seja cumprida a cada rotação das pás.