Capitulo 7 Geradores Elétricos CA e CC 7 Geradores Elétricos CA e CC Figura 7-1 Gerador Elétrico CA A energia elétrica é obtida através da conversão de energia mecânica (movimento) em energia elétrica propriamente dita através dos geradores. O processo de gerações (conversão) se dá através do movimento (cinético), energia mecânica, que interagem em elementos elétricos (bobinas) e induz uma energia elétrica, recebendo o nome de geração. A máquina que converte a energia mecânica em energia elétrica é chamada de gerador. Uma nação tem seu progresso relacionado com a disponibilidade de energia elétrica. Nos dias atuais é possível gerar energia elétrica em qualquer lugar com geradores de pequeno, médio ou grande portes. O movimento de motores são há combustão (usualmente diesel). A geração de energia podem fornecer exclusivamente a uma demanda ou trabalhar paralelamente com a rede de distribuição, contribuindo para a necessidade da demanda. A sociedade se torna é muito dependente de energia elétrica. Pense seu dia sem ela. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 1 de 9
Neste capitulo, tem como objetivo estudar os geradores CA e CC de energia elétrica, sua máquina, seu princípios de funcionamento e particularidades. 7.1 Aspectos Construtivos Os geradores, envolvem os conhecimentos adquiridos de magnetismo, eletromagnetismo e os estudo de motores CC. Isso é, um motor CC é um gerador. Ambos possuem as mesmas parte construtiva que o motor CC que são: enrolamento de estator e armadura (vide capitulo motor CC). Em relação ao comutador, as diferenças entre o tipo de gerador CA ou CC estão neste componente, que apresenta a função de retificar mecanicamente a tensão. a) Gerador CC Quando o comutador está presente na máquina elétrica, temos um gerador CC. Já que este elemento tem a função de retificar a tensão gerada. b) Gerador CA Sem o comutador, a corrente irá circular metade do tempo (180 ) em uma polaridade e a outra metade (180 ) em outra polaridade. Tornando o gerador CA. 7.2 Princípio de Funcionamento Gerador CA Monofásico Um motor CC recebe tensão elétrica que gera energia mecânica (movimento). O gerador (CA ou CC) o processo é inverso, recebem energia mecânica (movimento) que converte em energia elétrica, porém, conforme princípio de funcionamento: O enrolamento de estator é alimentado por uma tensão que produz um campo magnético, chamado campo magnético fixo (campo de excitação). Isso mesmo, para que o processo de geração seja possível, um campo elétrico precisa ser criado e para tal, uma fonte de tensão necessita alimentar esse enrolamento. No motor CC, a armadura é energizada criando um segundo campo magnético que vai interagir com o campo magnético do estator, causando efeitos de repulsão e atração entre os campos magnéticos o que causa o movimento. Nos geradores não há o segundo campo magnético (armadura), neste caso, o movimento toma lugar e quando uma bobina percorre um campo magnético, cortam as espiras do enrolamento em movimento (gerado por ação mecânica). Conforme estudado em magnetismo e eletromagnetismos, um campo magnético percorrendo uma espira em movimento, causa uma indução eletromagnética gerando energia elétrica (ddp diferença de potencial) entre as extremidades do enrolamento da armadura. Isso ocorre porque uma bobina em movimento dentro de um campo magnético, gira e absorve a tensão induzida nas bobinas. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 2 de 9
A força eletromotriz (fem) é gerada pela variação das linhas de fluxo magnético ϕ que atravessam o enrolamento da armadura. Conforme indicado na figura, ao aplicar movimento no eixo, a armadura gira entre os polos do campos fixo e uma tensão CA é produzida. Figura 7-2 - Esquema representativo de um gerador CA. A Lei de Faraday, diz que a indução é proporcional a equação: E fem = N. d dt Onde a fem induzida (Efem) na bobina será proporcional ao número de espirar (N) da bobina e a variação das linhas do fluxo magnético ϕ, no decorrer do tempo que atravessarem uma área limitada pela bobina (A). A medida que o movimento de rotação for sendo aplicado no eixo da máquina elétrica, a área efetiva da espira vai se mudando, conforme indicado na figura abaixo: Figura 7-3 - Etapas de geração (indução) nas bobinas. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 3 de 9
A variação da área de atuação entre o enrolamento central (armadura), causa um indução de tensão diferente de acordo com o ângulo de rotação, conforme pode ser visto na figura: Figura 7-4 - Tensão induzidas de acordo com o ciclo. A tensão induzida (tensão de pico de Efem) depende da intensidade do campo magnético fixo. Isso é, quando mais intenso o campo magnético, maior a tensão de pico gerada. A frequência está relacionada com a velocidade de rotação do eixo do gerador. Cada volta completa gera 1 ciclo completo da tensão (período). 1Hz representa 1 volta por segundo, desta forma, o eixo gira em uma velocidade de 60 RPM (Rotações Por Minuto). Em uma frequência de rede de 60Hz o eixo do gerador vai estar em uma velocidade de 3600 RPM. Isso considerando apenas um polo. O gerador CA pode ter seu princípio de funcionamento invertido, isso é, a armadura (enrolamento móvel) gera o campo magnético fico e o campo fixo extra a tensão gerada. Sempre seguindo o mesmo princípio já descrito acima. Como indicado na figura abaixo: Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 4 de 9
Figura 7-5 - Gerador de indução. Fonte: Maquinas Elétricas - Geraldo Carvalho. 7.3 Princípio de Funcionamento Gerador CA Trifásico No gerador CA trifásico, três bobinas estão posicionadas defasadas em 120, isso faz com que este tipo de gerador, aproveite melhor os 360 de cada volta. A resultante entre as três fases é igual a zero. Figura 7-6 - Gerador de indução trifásica. Fonte: Maquinas Elétricas - Geraldo Carvalho. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 5 de 9
Conforme a armadura for rotacionando, vai se induzindo em cada uma das fase R, S, T um pico de tensão em momento diferentes, produzindo uma tensão de sinal igual a indicada na figura: Figura 7-7 - Sinal trifásico induzido no gerador. Fonte: Maquinas Elétricas - Geraldo Carvalho. Como se torna praticamente impossível alinhas as 3 fases em 120º, uma pequena corrente é gerada, não sendo possível adquirir a resultante zero. Pra isso, são aterrada as extremidades com o objetivo de manter a drenagem da tensão excedente. Os geradores CA do tipo trifásico são largamente utilizados na geração de energia elétrica nas hidrelétricas. Porém, os geradores usualmente tem seu funcionamento dotado de um motor a diesel, rotacionando o eixo. Quando maior for a tensão consumida, maior será a tensão de oposição, tornando maior a resistência mecânica de rotação, exigindo um torque maior. Em hidrelétricas, isso é compensado com uma maior coluna de água sobre as turbinas. Figura 7-8 - Gerador acoplado a um motor diesel. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 6 de 9
7.4 Princípio de Funcionamento Gerador CC No gerador CC, o principio visto acima continua valido, porém, agora com a presença do comutador que vai retificar a tensão gerada, provocando um sinal retificado de corrente continua CC: Figura 7-9 - Gerador de indução CC. Fonte: Maquinas Elétricas - Geraldo Carvalho. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 7 de 9
7.5 Sincronismo O uso de geradores nem sempre são usados de forma isoladas, apenas na geração. Na indústria, nas residências e comércios, o uso como alternativa ou em conjunto com outra fonte de energia elétrica é muito utilizado. Porém, o gerador não pode ser interligado de qualquer forma e muito dos casos não há tem hábil para esperar o termino de uma fonte para interligar outra, ai que entra o sincronismo. A conexão de duas fontes de geração de energia elétrica deve possuir a mesma tensão gerada, está sob a mesma frequência e defasagem. Em outras palavras ser exatamente iguais. Existe hoje dezenas de formas inteligentes e processadas de fazer essa análise, porém, todas partem do mesmo princípio. Neste material, vamos adotar o método mais simples, mas bastante utilizado nos dia a dia Considerando duas fontes de geração G1 e G2 em um sistema trifásico R, S, T. Uma lâmpada incandescente é ligada em serie com cada fase dos geradores. Em paralelo uma chave tripolar seccionável é posta em aberto. Conforme figura a seguir: Figura 7-10 Sincronismo de geradores. Fonte: Maquinas Elétricas - Geraldo Carvalho. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 8 de 9
O sincronismo, ligação das duas fonte ao mesmo tempo, só pode ser realizada quando as três lâmpadas estiverem completamente apagadas, isso indica que não diferença de tensão, frequência e defasagem entre as fases. A diferença de tensão é igual a zero. As etapas de sincronização são: 1) Ajustar o nível de tensão; 2) Acertar a sequência de fase. 3) Corrigir eventuais defasagem/frequência. O comportamento das lâmpadas, vão indicar cada uma das etapas acima: 1) Se as lâmpadas piscam alternadamente e não juntas, é necessário acertar a sequência de fase. 2) Se a luminosidade das três lâmpadas é intensa, a defasagem entre as fases dos geradores está próxima de 180. Se as lâmpadas acendem com luminosidade fraca, os geradores estão quase em fase. 3) Quando as lâmpadas estiverem completamente apagadas, os geradores estão em fase, e o gerador pode ser ligado em paralelo com a rede. Como já foi comentado anteriormente, para acertar as fases, invertem-se duas das fases do gerador. Para acertar a defasagem, ajusta-se a velocidade do motor que for possível. Prof MSc Eng Vinicius Heltai Capitulo 7 Página 9 de 9