Cabos elétricos

 Condutores

Os materiais atualmente utilizados como condutores elétricos são o cobre e o alumínio. No caso de cabos isolados o cobre tem sido preferido, visto que para transmissão da mesma quantidade de energia deve-se utilizar uma seção de alumínio cerca de 70% maior do que a de cobre, fazendo com que os volumes da isolação e cobertura sejam também acrescidos.

De acordo com as características mecânicas, o cobre pode ser classificado em três categorias de têmpera, ou seja: mole (ou recozido), meio duro e duro, com propriedades distintas, sendo o cobre mole o de menor resistividade e o duro, o de maior resistência mecânica à tração. O cobre mole é recomendável para aplicação geral em condutores isolados ou não, onde se deseja alta condutibilidade e flexibilidade, sendo a resistência à tração fator secundário.

Os Condutores dos cabos de energia podem ser formados por um único fio ou pela reunião de vários fios formando cordas. As cordas são concebidas para chegar-se a diferentes graus de flexibilidade, a qual depende da relação entre a seção total do condutor e a do fio elementar, do passo da corda e do grau de recozimento do material.

De um modo geral, quanto maior for o número de fios componentes, mais flexível será o cabo.

Na sua concepção os condutores podem ter as seguintes construções:

§  Fios e cabos com encordamento simples.

Neste caso o condutor é formado por um único fio ou por duas ou mais camadas concêntricas de fios de mesmo diâmetro em torno de um fio central.

As formações padronizadas para cabos com encordamento normal são:

7 fios   (1+6)

19 fios (1+6+12)

37 fios (1+6+12+18)

61 fios (1+ 6+12+18+24) etc

Ou seja, cada coroa possui um número de fios igual à última acrescida de mais seis.

§  Cabos redondos com encordamento compactado

Após a formação da corda, esta é compactada por uma matriz tornando o diâmetro do cabo resultante significativamente menor, uma vez que os espaços vazios são substancialmente reduzido.

As vantagens decorrentes da construção compacta são inúmeras destacando-se que os cabos isolados terão um menor diâmetro final, permitindo um melhor aproveitamento dos dutos e menores raios de curvatura e, principalmente, devido à diminuição do volume de materiais isolantes e protetores.

§  Condutores Setoriais Compactados.

São normalmente utilizados em cabos multicondutores (três ou quatro condutores) para que se obtenham cabos com menor diâmetro interno.

§  Condutores Redondos com  Encordamento Composto.

       São formados pela reunião de vários condutores previamente encordoados, chamados cochas.

       Esta modalidade de encordoamento é utilizada em cordões que exigem grande flexibilidade devido a sua movimentação contínua durante seu ciclo de operação em condições de uso.

Nos casos de condutores redondo convencional são as seguintes as classes de encordoamento padronizadas pela ABNT.

CLASSE DE ENCORDOAMENTO	APLICAÇÃO
1	Fio circular de seções nominais de 0,5mm2 a 150mm2 (acima de 16mm2 considerados especiais)
2	Cabos de energia em geral circulares compactados ou não até 2000mm2 e condutores não circulares compactados
3	Cabos de energia não compactados circulares de 10 a 185 mm2
4	Cabos flexíveis de 0,5 a 500mm2
5	Cabos flexíveis de 0,5 a 630mm2
6	Cabos flexíveis de 0,5 a 300mm2

No caso de condutores setoriais, anulares e segmentados, a experiência de cada fabricante permite a solução ótima do problema.

Blindagem do Condutor

A blindagem do condutor, constituída por materiais condutores não metálicos (normalmente chamados semicondutores) tem como principais finalidades dar uma forma de perfeitamente cilíndrica ao condutor e eliminar  espaços vazios entre o condutor e a isolação. No caso de um condutor encordoado de um cabo de média ou alta tensão não possuir um recobrimento com material condutor, o campo elétrico assume um forma distorcida, acompanhando a superfície do condutor. Nestas condições, o dielétrico é solicitado de um modo não uniforme, sendo que, em alguns pontos, estas solicitações poderão ultrapassar os limites permissíveis à isolação, resultando em uma depreciação na vida do cabo. Além disto, no caso de dielétricos sólidos, quando da extrusão da isolação diretamente sobre o condutor, poderão surgir bolhas de ar nos locais onde o material isolante não penetrou totalmente entre os fios, e o ar será então ionizado pela ação do campo elétrico e ocorrerão descargas parciais que irão danificar tanto a isolação até a sua perfuração, devido tanto ao bombardeio de elétrons, gerando calor e erosão, quanto ao ataque de ozona.

Em geral, cabos com tensão nominal a partir de 1,8/3 kV possuem condutores blindados.

       No caso de cabos com dielétricos sólidos, a blindagem do condutor, constituída por material condutor não metálico, é aplicada, por extrusão, simultaneamente com a camada isolante.

Materiais Isolantes

Um dos componentes de maior importância de um cabo de energia é a sua isolação. A necessidade crescente de maiores gradientes de serviço, para os cabos modernos, resulta no desenvolvimento tecnológico contínuo, objetivando o aprimoramento dos dielétricos e processos em uso e a criação de novos tipos.

Na escolha do material isolante a ser usado, são determinantes algumas características, tais como:

a)      Elevada rigidez dielétrica perante solicitações a 60 Hz e de impulso (descargas atmosféricas e surtos de manobra);

b)      Baixas perdas dielétricas;

c)      Fácil dissipação de calor e, portanto baixa resistividade térmica;

d)     Resistência ao envelhecimento nas condições de tensão

- Temperatura de serviço desejadas. Espera-se normalmente que os cabos tenham uma vida superior a 20 anos.

e)      Flexibilidade, principalmente nas instalações de equipamentos móveis.

 Dielétricos sólidos

Os dielétricos do tipo sólido podem ser divididos em duas Categorias, segundo o seu comportamento térmico:

-  Termoplástico

-  Termofixo

Estas duas categorias de materiais se distinguem principalmente quanto à sua estabilidade térmica e quanto ao seu processo de fabricação.

 Dielétricos Termoplásticos

Os principais dielétricos do tipo termoplástico atualmente em uso como isolação para cabos de energia são:

-  Polietileno linear (PE)

-  Cloreto de polivinila (PVC)

Os termoplásticos, obtidos diretamente da extrusão do material isolante sobre o condutor, são materiais que quando sujeitos a um aumento gradativo de temperatura mantém seu estado sólido até cerca de 120°C e, a partir daí perdem suas características mecânicas e amolecem até tornarem líquidos. Na prática, os compostos termoplásticos tem sua temperatura de regime normal e transitório limitada para que seja evitada a movimentação relativa do condutor no universo isolante, acarretando uma redução de sua espessura e ocasionando defeito no sistema.

Os compostos de PVC tem se mostrado adequados para a utilização em redes de distribuição em baixa tensão residenciais e industriais devido a sua ótima resistência mecânica e sua estabilidade perante o ataque de agentes químicos.

Já os compostos de polietileno linear (PE) a partir de tensões nominais de 1,8/3 kV tem-se mostrado mais vantajosos do que o PVC devido as suas superiores propriedades dielétricas.

 Dielétricos Termofixos

Os dielétricos termofixos, obtidos a partir da extrusão e vulcanização do material, caracterizam-se por manter seu estado físico mesmo em regimes onde altas temperaturas estão envolvidas, uma vez que quando se eleva sua temperatura além do limite admissível o material se carboniza sem se tornar líquido.

Na prática a temperatura de regime permanente recomendável é de 90°C, sendo que em regime de emergência se permite atingir 130°C e durante transitórios provenientes de curtos-circuitos os termofixos podem suportar, sem se deteriorar, temperaturas de até 250°C.

A excelente estabilidade térmica destes materiais permite que mais potência seja transportada utilizando-se a mesma seção de condutor do que o similar termoplástico e, principalmente, em sistemas onde se tem alto nível de curto-circuito, uma economia global poderá ser obtida com aplicação de isolamento termofixos.

Os principais dielétricos termofixos (vulcanizados) utilizados em cabos de energia são:

-  Polietileno reticulado (XLPE)

-  Borracha etileno propileno (EPR)

O XLPE, além das excelentes propriedades dielétricas, apresenta um baixo fator de potência o que faz com que suas perdas dielétricas sejam mínimas quando comparadas com os demais materiais isolantes. A borracha etileno propileno (EPR) apresenta como propriedades mais importantes a sua alta resistência a descargas parciais e sua boa flexibilidade a frio.

Em particular, o EPR devido a sua boa flexibilidade encontra aplicação como isolação de cabos de controle dos cabos de baixa tensão para a indústria naval e de plataforma de prospecção de petróleo

Os cabos isolados com polietileno reticulado (XLPE) e borracha etileno propileno (EPR), têm sido preferidos como uma alternativa técnico-econômica para a substituição dos cabos de papel impregnado em sistemas de distribuição em baixa, média e alta tensão.

Blindagem da Isolação

A função principal da blindagem da isolação é a de propiciar uma distribuição radial e simétrica de campo elétrico fazendo com que o dielétrico seja uniformemente solicitado. Da mesma forma que a blindagem do condutor, a blindagem da isolação para ser efetiva deverá manter um perfeito contato com a superfície externa da isolação, eliminado assim a possibilidade de bolhas de ar que dariam lugar as descargas parciais. A blindagem da isolação proporciona também uma capacitância uniforme entre o condutor e a terra o que representa uma impedância característica (Zo) uniforme ao longo do cabo evitando pontos com grande concentração de linhas de campo, o que acarreta uma melhor performance perante às solicitações de impulso.

A blindagem da isolação é constituída por meio de uma camada de material condutor não metálico que além de uniformizar o campo elétrico possui condutância suficiente para o transporte das correntes de fuga e capacitavas. A blindagem metálica sobre esta semicondutora é por meio de fitas ou fio de cobre que tem a função de transporte de correntes induzidas ou de curto-circuito.

Em geral os cabos com tensão nominal a partir de 1,8/3 kV possuem blindagem da isolação.

No caso de cabos com dielétricos sólidos a blindagem da isolação pode ter uma das seguintes construções:

-  Material condutor não-metálico, de fácil remoção a frio, obtido, a partir da  extrusão.

-  Aplicação contínua de verniz semicondutor sob fita semicondutora.

A blindagem metálica pode ser formada pela aplicação helicoidal de fitas de cobre sobrepostos ou pela aplicação de fios de cobre.

Para sistema com alto nível de curto-circuito fase-terra é recomendável a especificação de cabos com blindagem de fios de cobre que além de uma maior capacidade de corrente possui impedância praticamente constante ao longo da vida do cabo.

Proteção

Coberturas

Para o núcleo do cabo que é constituído pelas camadas internas, abaixo da cobertura foi determinante na escolha destes materiais as características elétricas, mecânicas e químicas. Nota-se que até o núcleo, as características de resistência a agentes químicos ou mecânicos externos, executando-se casos particulares, não são consideradas em primeiro plano.

É necessário então que em função das condições de instalação, sejam projetadas coberturas como proteção ao núcleo do cabo, em função do meio e dos elementos que mais possam afetar a vida e a integridade do núcleo, mantendo, contudo uma coerência de flexibilidade quando necessário.

Na escolha do material para cobertura a ser usada são fundamentais algumas características, tais como:

a)      Impermeabilidade

b)      Resistência a abrasão, rasgamento e impacto

c)      Inflamabilidade

d)     Baixa emissão de gases durante eventual queima

e)      Estabilidade térmica

f)       Resistência ao ataque de agentes químicos e atmosféricos

g)      Flexibilidade

Dentre os materiais adotados para coberturas em cabos, os seguintes se destacam, devido às suas diferentes performances perante uma particular aplicação:

-         Cloreto de polivinila (PVC)

-         Cloreto de polivinila resistente à chama (PVC-TRC)

-         Polietileno linear (PE)

-         Polietileno Clorossulforado – CSP (Hypalon)

-         Policloroprene (neoprene)

-         Material não halogenado

Armações

No Caso de instalações mais sujeitas a esforços ou danos mecânicos podem ser previstas proteções metálicas adicionais sendo os tipos mais comumente adotados os seguintes:

Armações de fitas de Aço galvanizado

São normalmente utilizadas em cabos múltiplos instalados diretamente no solo onde nenhuma outra proteção contra golpes e esforços transversais é prevista.

Em caso de cabos instalados em túneis e galerias esta modalidade de armação é particularmente adequada à proteção contra ataque de roedores.

Normalmente a armação é protegida contra corrosão por uma cobertura a qual facilita também os serviços de instalação.

No caso de cabos instalados diretamente no solo onde é prevista sua proteção por meio de lajotas de concreto a armação perde sua finalidade. 

Armação com Fios de Aço Galvanizado

São normalmente utilizados em cabos múltiplos instalados em locais pantanosos ou em instalações subaquáticas protegendo o cabo contra esforços longitudinais (tração). Este tipo de armação é também recomendado quando da instalação de cabos na vertical onde o peso do cabo deve ser suportado pela armação.

Armação com Fitas Corrugadas Intertravadas (“Interlocked”)

Este tipo de armação cumpre o mesmo objetivo que a composta por fitas planas, ou seja, proteger o núcleo do cabo contra esforços mecânicos radiais.

No caso de cabos singelos, para se evitar perdas adicionais, são empregados materiais não magnéticos, ou seja, fitas ou fios de bronze caso se deseje proteger contra golpes ou esforços de tração respectivamente.

Um aspecto de NR-10 quase nunca considerado nos projetos de subestações

Quando projetamos subestações industriais, a maioria delas é abrigada.

Trata-se de  uma edificação específica para instalar o sistema de medição da concessionária, o sistema de proteção, o sistema de seccionamento para manutenção e os transformadores.

É comum nessas subestações que os transformadores sejam ligados em paralelo e do ponto de vista técnico existem vários motivos que justificam esse tipo de associação, entretanto existe um outro aspecto (NR-10) quase nunca levado em consideração pelos projetistas que é o risco de explosões quando esses equipamentos são instalados em espaços sem ventilação ou em câmaras subterrâneas, logo, caso sejam estabelecidas condições indesejáveis, porém favoráveis pode ocorrer a explosão do transformador ou da câmara subterrânea.

Um exemplo de condição indesejável é decorrente de defeito interno do transformador, resultado da ausência de manutenções, quer preventivas, preditivas ou corretivas.

Como consequência da situação descrita pode ocorrer a formação de gases dentro do transformador e por meio de atuação da válvula de alívio o interior da subestação ou a câmara transformadora pode ser contaminada.

Caso a subestação ou câmara transformadora não seja dotada de um sistema de ventilação eficiente, podem ocorrer duas explosões, sendo a do transformador seguida da explosão da subestação ou câmara transformadora, que normalmente é mais severa que a primeira.

Para termos uma ideia da quantidade de energia liberada, apresento  a seguir o cálculo da energia despendida pela corrente de curto circuito (Icc) resultante de uma falha trifásica, em nosso exemplo vou utilizar um transformador de 500 kVA, comparado com o valor de corrente nominal (In) do equipamento.

O valor da potencia de curto circuito (Pcc) resulta em:

Pcc = 220V x 30kA ≈ 6,6 MVA

Considerando o fator de potencia igual a 1, logo a potência de curto circuito será 6,6 MW.

Como a atuação dos disjuntores não são instantâneas, leva cerca de dez ciclos para abrir e extinguir o arco em seu interior, sendo assim a energia liberada será de 1,1 MJ

Quando existirem alguns transformadores ligados em paralelo, ocorre um aumento significativo desses valores, conforme mostro a seguir. Considerarei três transformadores com características idênticas ao anterior, ligados em paralelo e empregando a mesma metodologia de cálculo.

Em que 0,015 é a impedância equivalente dos três transformadores em paralelo.

A potência de curto circuito resulta em 57,9 MVA.

Considerando o fator de potencia igual a 1, logo a potência de curto circuito será 57,9 MW.

Logo para os mesmos dez ciclos de operação do disjuntor, a energia liberada será de 9,6 MJ.

Para efeito de comparação, segundo a "Explosions in Electrical Vaults - Georgia Institute of Technology - W.Z. Black" uma banana de dinamite libera 2 MJ de energia na explosão.

É possível concluir que, caso ocorra um curto circuito nos secundários dos transformadores a energia liberada será muito significativa, o equivalente a quase cinco bananas de dinamite dentro de um cubículo de subestação. Pode-se concluir que um acidente envolvendo profissionais nessas condições dificilmente teríamos sobreviventes, daí a importância de projetarmos as subestações com base nos preceitos da NR-10, para garantir que esses ambientes sejam seguros para os profissionais que fazem manutenção e outros trabalhos em seus interiores.

Geradores Síncronos - Princípio de Funcionamento

Comentei em outro "post" que ministrei no SENAI de Uberaba - MG a disciplina de máquinas elétricas onde construí junto com meus alunos um transformador. nosso desafio seguinte foi construir um gerador síncrono, mais um trabalho que trouxe muita satisfação a todos os aluno e principalmente a mim.

Considere inicialmente uma bobina constituída por "N" espiras e imersa em campo magnético Produzida por imãs permanentes.(Fig.1) Acionando-se o eixo de rotação, as espiras da bobina cortam as linhas do campo e, pela lei Fundamental: da indução eletromagnética, uma força eletro motriz (f.e.m.) é induzida nos condutores. Literalmente a f.e.m. (E) é diretamente proporcional ao número de espiras da bobina (N), indução do campo magnético: (B), velocidade periférica (v) é comprimento de cada condutor (L).

Matematicamente podemos escrever que E= B.L.v.N

Na fig. 2, o gerador elementar possui 2 pólos fixos e uma bobina "ab" que se movimenta em relação a esses pólos.

A indução magnética produzida pelos imãs permanentes possui distribuição espacial que depende essencialmente da forma de superfície polar (sapata polar). Com configuração adequada da sapata consegue-se maior concentração de induções no centro do pólo e valores menores nas extremidades.

A distribuição senoidais de induções utiliza na construção de geradores, são determinadas pelo desenho conveniente da sapata polar. A bobina "ab" movimenta-se em relação ao campo de induções senoidal, resultando uma f.e.m. induzida também senoidal, ou seja:

E= Bmáx. senwt. N.l.v. = Emáx. senwt

Sendo: Emáx = Bmáx. N. L. v

Nos pontos de máxima indução obtém-se a máxima tensão induzida. Quando as espiras "a" estão sob influência do pólo norte, a polaridade de f.e.m. é contrária a das espiras "b", que se encontra sob o pólo sul. Desta forma, a variação da f.e.m. acompanha em todos os pontos a distribuição de induções e possui polaridade distinta sob os pólos norte e sul.

A ligação dos condutores das "N" espiras é realizada de maneira que a tensão nos condutores "a" é somada à dos condutores "b" ou seja: Vab = Va + Vb

Cada giro das espiras corresponde a um ciclo completo da tensão gerada. Para que a tensão gerada seja de 60 Hz, é necessário que a espira gire 60 vezes em 1 segundo, ou ainda, 3.600 rotações por minuto (rpm). Na fig. 4 encontra-se um gerador para quatro polos observe que para quatro pôlos, a cada volta completa a espira excursiona sob dois pólos norte e dois pólos sul, gerando dois ciclos. Portanto para a geração de 60 Hz é necessário que a espira gire 30 vezes em 1 segundo ou seja 1.800 rpm.

Generalizando o raciocínio, pode-se concluir que para um gerador com "P" pares de pólos girando a n rotações por minuto a freqüência de f.e.m. induzida em hertz (Hz) é determinada por:

Exemplo 1: Determinar a freqüência da tensão induzida em gerador de 12 pólos na rotação de 600 rpm.

Solução: Dados: P = 6 pares de pólos (12 pólos) n = 600 rpm então:

Exemplo 2 : Nos geradores para avião a jato que operam na freqüência de 400 Hz, determinar o número de pólos necessários para obtenção dessa freqüência, sabendo que a turbina que aciona esse gerador gira a 24.000 rpm.

Solução: Dados: f = 400 Hz n = 24.000 rpm então:

Portanto: p = 1 par de pólos Concluído: número de pólos = 2p = 2 pólos

Geradores Síncronos Trifásicos Elementares

O gerador trifásico é constituído por três bobinas com o mesmo número de espiras, dispostas simetricamente no espaço, formando entre si um ângulo de 120º, conforme mostra a fig.5a. As bobinas inicialmente são independentes, não possuindo ligação entre si. A nomenclatura dos terminais da bobina é definida por P1, F1, F2, P3, F3, respectivamente princípios e fim das bobinas 1, 2 e 3.

A distribuição de campo de indução magnética, produzido pelos imãs permanentes é exatamente a mesma do gerador monofásico.

Nas bobinas 1, 2 e 3 são geradas tensões iguais, pois possuem o mesmo número de espiras, as mesmas dimensões geométricas e são submetidas a um único campo de induções, possuindo apenas uma defasagem entre si de 120º no tempo, em função da posição espacial que ocupam.

Cada bobina é uma fase e, observando-se a fig.5b nota-se que a f.e.m. gerada nas fases são idênticas e defasadas de 120º no tempo.

Geradores Síncronos Trifásicos de Pólos Fixos

Aspectos Construtivos

O gerador síncrono trifásico é construído nas configurações de pólos fixos e pólos rotativos. Os geradores de pequena potência são construídos com pólos e os de maior potência com pólos rotativos. A potência nominal, por esse motivo as tensões e correntes de excitação têm valores bem inferiores aos valores de armadura.

Devido a baixa potência de excitação e maior facilidade de isolação do enrolamento da armadura, a construção com pólos rotativos é utilizada na maioria dos casos. A alternativa de pólos fixos só é utilizada em baixas potências devido à sua simplicidade construtiva. A fig.6 mostra um corte no gerador de 2 pólos fixos, indicando a nomenclatura das partes essenciais.

A tensão induzida é gerada em condutores alojados numa peça de ferro denominada de induzido ou armadura.

Os imãs permanentes da descrição do gerador elementar são substituídos por peças de ferro e bobinas de excitação, que se comportam como eletroímãs.

Os pólos são fundidos em peças únicos ou construídos com chapas laminadas empacotadas sob pressão.

O rotor é constituído por pacotes de chapas laminadas de ferro com impurezas de silícios a fim de reduzir as perdas no ferro durante o funcionamento.

Nas ranhuras ou canais estão dispostas as bobinas que constituem as três fases para o gerador trifásico ou apenas uma fase para o monofásico. Através das escovas e anéis coletores é retirada a tensão gerada para alimentar a carga.

Funcionamento do Gerador Sem Carga. (em vazio)

Alimentando-se as bobinas dos pólos com fonte de c.c. obtém-se o campo magnético que depende da corrente de excitação. As bobinas são dispostas de modo a gerar idêntico número de pólos norte e sul. As linhas de campo atravessam o entreferro, o rotor fecha-se pela coroa. Acionando-se o eixo da armadura as bobinas cortam as linhas de campo, gerando uma tensão alternada monofásica ou trifásica.

Em alternadores trifásicos as bobinas das fases são conectadas em estrela ou triângulo, conforme mostra os esquemas da fig.7.

As características principais das ligações são as seguintes:

Ligações Estrela:

VL = 1,73 . Vf (Tensão de Linha = 1,73 . tensão de fase)

IL = If (Corrente de linha = corrente de fase)

Ligações Triângulo: Vl = Vf (tensão de linha = tensão de fase)

IL = 1,73 . If (corrente de linha = 1,73 . corrente de fase)

Resumindo o exposto, a tensão gerada depende da intensidade das induções de campo magnético e, para geradores com eletroímãs, da corrente que circula nas bobinas de campo ou corrente de excitação (Iex).

A relação entre tensão gerada em vazio (V0) e corrente de excitação (Iex) é característica de vazio e possui aspecto da fig.8. Observe que a tensão é praticamente linear com a corrente de excitação até próximo a 70% da tensão nominal. Acima deste ponto, os materiais ferro-magnéticos apresentam saturação e a tensão possui crescimento menor para acréscimo de excitação. Normalmente os geradores operam no início da faixa de saturação a fim de facilitar a regulação.

Funcionamento em carga

O gerador elétrico é um equipamento eletromecânico que converte energia mecânica em energia elétrica. A carga do gerador também é um equipamento conversor de energia. Os exemplos mais comuns são as lâmpadas que convertem energia elétrica em energia luminosa estufas que convertem energia elétrica em energia térmica e os motores elétricos que convertem energia elétrica em energia mecânica. Através da tensão e corrente elétrica, o gerador envia energia aos conversores de carga. Para um nível de tensão fixo, por exemplo, 220V, quanto maior a corrente elétrica, maior a energia transmitida.

As cargas nem sempre são constituídas por elementos puramente resistivos e normalmente possuem indutâncias e capacitâncias associadas que armazenam energia nos campos elétricos ou magnéticos. O ideal seria que toda energia elétrica fornecida pelo gerador à carga fosse convertida, porém, parte da energia é armazenada nos campos elétricos ou magnéticos e devolvida em seguida ao gerador, sem sofrer conversão. Assim sendo, acorrente circula entre o gerador e a carga sem conversão de energia elétrica para outra forma. Essa corrente que apenas circula entre gerador e carga, não transportando energia efetivamente, denomina-se energia reativa.

A potência reativa será indutiva ou capacitiva, conforme o caráter da carga, indutivo ou capacitivo, respectivamente. A potência efetivamente entregue a carga é potência ativa. Resumindo, o gerador fornece energia a um conversor que poderá ter caráter reativo. Parte da energia entregue é convertidas em energia luminosa, térmica, mecânica, etc., e parte é armazenada no campo magnético (indutor) ou elétrico (capacitor) e devolvida ao gerador.

Evidentemente, quando o fornecimento de energia do gerador é de potência ativa, o motor acionante (diesel, turbina, etc,) fornece energia mecânica ao eixo para a conversão em energia elétrica. Quando o gerador alimenta cargas reativas, o motor acionante não é solicitado pois o gerador não entrega, efetivamente energia à carga. A potência reativa altera apenas a excitação e o comportamento do gerador sob carga pode ser descrito como segue: 

Cargas Puramente Resistivas:

São cargas que apenas armazenam energia no seu campo magnético e devolvem integralmente ao gerador. Como o gerador não entrega efetivamente energia a carga, o motor acionante é solicitado e a injeção é a mesma do funcionamento do gerador em vazio. Quanto a excitação, as correntes de carga provocam a indução de armadura (Br) que se opõem a indução principal (Bp). A indução total (Bt) da máquina é a resultante, conforme mostra a fig.9c. A indução de reação (Br) comporta-se como dois pólos, norte e sul, que geram um campo magnético no sentido oposto ao campo principal (Bp). Para compensar essa desmagnetização e consequentemente manter a tensão constante nos terminais, é necessário um grande aumento da corrente de excitação.

Cargas Puramente capacitivas:

São cargas que apenas armazenam energia no seu campo elétrico e a devolvem integralmente ao gerador. Como o gerador efetivamente não entrega energia à carga, o motor acionante não é solicitado e a injeção do combustível é a mesma para o funcionamento do gerador em vazio. Quanto a excitação, as correntes de carga provocam a indução da armadura (Br) que se soma com a indução principal (Bp), e a indução total (Bt) é a resultante, conforme mostra a fig.9b. A indução de reação (Br) comporta-se como dois pólos, norte e sul, que gera um campo magnético no mesmo sentido do campo principal (Bp). Assim sendo, mesmo com perdas na resistência do enrolamento da armadura, é necessário diminuir a corrente de excitação para manter a tensão nos terminais do gerador idêntica a de vazio.

Cargas Puramente Indutivas

São cargas que apenas armazenam energia no seu campo magnético e devolvem integralmente ao gerador. Como o gerador não entrega efetivamente energia a carga, o motor acionante é solicitado e a injeção é a mesma do funcionamento do gerador em vazio. Quanto a excitação, as correntes de carga provocam a indução de armadura (Br) que se opõem a indução principal (Bp). A indução total (Bt) da máquina é a resultante, conforme mostra a fig.9c. A indução de reação (Br) comporta-se como dois pólos, norte e sul, que geram um campo magnético no sentido oposto ao campo principal (Bp). Para compensar essa desmagnetização e consequentemente manter a tensão constante nos terminais, é necessário um grande aumento da corrente de excitação.

Cargas com Caráter Indutivo

São cargas que consomem potência ativa e ainda trocam energia com o gerador. A energia ativa que realmente o gerador entrega à carga comporta-se como carga puramente resistiva, e a energia reativa. Apenas para efeito de registro, na fig.10 é indicado o diagrama de fatores da tensão e corrente do gerador e o triângulo de potência. O cosseno do ângulo entre a corrente ativa Ip e o corrente IG é denominado de fator de potência da carga.

Um gerador elétrico que fornece 100 kVA com fator de potência de 0,8, alimenta uma carga que absorve 80 kW de potência ativa e 60 kVAr de potência reativa (carga de carater indutivo) Devemos aumentar a excitação para manter a tensão nos terminais do gerador constante devido aos reativos, e o motor acionante deverá fornecer a potência de 80 kW e as perdas de operação do gerador. A fig.11 indica a variação de corrente de campo com diversas cargas afim de manter a tensão do gerador constante.

Gerador Síncrono trifásico de Pólos Rotativos

No gerador síncrono com disposição para pólos rotativos e armadura fixa, a tensão gerada é análoga ao descrito no item anterior, para pólos fixos. Os pólos de excitação, produzidos pela corrente de campo (Iex) giram no interior da bobinas fixas, gerando tensão monofásica ou trifásica, conforme a disposição espacial das bobinas da armadura. Através de anéis coletores e escovas, as bobinas de excitação são alimentadas por c.c. e a tensão alternada gerada é retirada no estator, conforme mostra fig.12.

Os fenômenos de variação do nível de excitação e potência fornecidas ao gerador quando da colocação de carga, são idênticos aos descritos para o gerador de pólos fixos.

Geradores Síncrono Trifásico: Sistema de Excitação Estático

O sistema de excitação estático é constituído por gerador síncrono controlado por um componente eletrônico, totalmente em estado sólido, denominado excitatriz estática. 

A excitatriz verifica a tensão de saída do gerador e alimenta o campo com c.c., necessária para manter constante a tensão nos terminais para qualquer carga e fator de potência. No inicio do processo, ou escorvamento, o gerador é acionado na rotação nominal. As partes de ferro do gerador retém certo nível de indução remanente, mesmo quando a corrente de excitação é nula. A tensão gerada, apenas por indução remanente, normalmente é superior a 5V e suficiente para sensibilizar a excitatriz estática.

Se a excitatriz verificar que a tensão de saída é baixa, ela ajusta a corrente de excitação necessária para que a tensão decorrente da colocação ou retirada de cargas é corrigida automaticamente pela excitatriz, através do fornecimento de maior ou menor potência de excitação.

Gerador Síncrono Trifásico: Sistema de Excitação "Brushless"

No sistema "brushless" a potência para excitação do gerador é obtida através de um gerador trifásico de pólos fixos e ponte retificadora rotativa A tensão de saída do gerador permanece constante pelo controle de um componente em estado sólido, denominado "Regulador de Tensão". O regulador "verifica" a tensão de saída e alimenta o campo do excitador com a corrente necessária para gerar tensão c.a., que após retificado por retificador rotativo, alimenta o campo do gerador.

O método para escorvamento é idêntico ao sistema de excitação estático. O excitador fornece a potência de excitação e o regulador eletrônico apenas executa o controle do gerador, para manter a tensão nos terminais constante, para qualquer nível de carga e fator de potência. O sistema "brushless" dispensa o uso de escovas, porta-escovas ou qualquer outro sistema mecânico de contato, pois a interação entre campo e armadura do gerador e excitador é efetuado por campo magnético.

As principais vantagens do sistema "brushless" sobre o sistema estático são:

1) Não utiliza escovas e porta-escovas;

2) Não introduz interferências geradas pelo mau contato;

3) Introduz menor interferência devido ao chaveamento do tiristor do regulador comparado com o tiristor da excitatriz;

4) Manutenção reduzida, solicitando cuidados apenas na lubrificação dos rolamentos;

5) O sistema "brushless" admite com facilidade o controle manual;

Como desvantagem do sistema "brushless", pode enumerar as que seguem:

1) O sistema "brushless" possui resposta mais lenta que o sistema estático, devido ao campo do excitador; Assim sendo, para partida de motores de indução, normalmente a queda de tensão para geradores "brushless" é maior do que para geradores estáticos.

2) A pesquisa de defeitos no sistema "brushless" é mais trabalhosa;

3) O sistema "brushless" é cerca de 10% mais caro que o sistema estático.

O assunto geradores é extenso e muito interessante, assim traremos novos "posts" abordando o assunto com mais profundidade.