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.