Como funciona um alternador (gerador de corrente alternada)?

 

Ricardo Figueiredo

Como Funciona um alternador?

Para começar a esclarecer esta dúvida vamos ao experimento abaixo:

Vemos na figura acima um gerador básico de energia elétrica composto de uma bobina fixa e um ímã permanente girando em sentido anti-horário.

A bobina é composta de espiras de um condutor em torno de um núcleo de ferro. No condutor temos elétrons livres que são atraídos pelo polo norte e repelidos pelo polo sul do ímã.

O movimento circular do Ímã ora atraindo e ora repelindo cargas elétricas dará origem a um fluxo ordenado de elétrons em sentidos alternados e cíclicos. Sendo um ciclo composto de um giro completo do ímã.

Este entendimento a seguir é extremamente importante para que se possa compreender todo o processo, pois precisaremos transformar o experimento anterior em uma represen-tação gráfica que possa ser facilmente interpretada em análises mais avançadas.

Notem que substituímos o ímã girando por setas que giram em sentido anti-horário.  

A estas setas girando damos o nome de fasores, ou seja, são vetores que giram sob sua própria origem. Conforme vão girando, a tensão se comportará ao longo do ciclo como mostra o gráfico da figura ao lado dos fasores.

Vejam que a cada posição do fasor temos um ângulo e o seno deste ângulo corresponde a um ponto no gráfico ao lado. O gráfico do lado direito será composto por pontos correspondentes ao seno de cada ângulo durante o giro deste fasor por tanto o gráfico mostrará uma onda em forma de senos ou seja "SENOIDE".

A cada giro completo do fasor, temos uma senoide completa. A um giro completo se dá o nome de "CICLO". O número de ciclos por segundo é a frequência da tensão gerada.

Notem que 1 ciclo/segundo = a 1Hz (Hertz). 

A frequência adotada na rede pública de energia elétrica do Brasil é 60 Hz. Para o nosso modelo anterior, afim de se atingir 60 Hz teremos que girar esse fasor 60 vezes por segundo ou 3.600 vezes por minuto ou, ainda, 3.600 RPM (Rotações Por Minuto).

Chegamos, então as seguintes conclusões:

A frequência é número de ciclos por segundo e sua unidade é o Hz e será representada pela letra "F".

O período (tempo de duração de um ciclo completo) é o inverso da frequência e será dado em segundos e é representado pela letra "T".

O nosso modelo Anterior é bastante didático mas possui 2 problemas para trazermos o mesmo para o mundo real: 

1. Ele é monofásico e a maioria das aplicações para grupos geradores é trifásica.
2. O outro problema é que o elemento que provoca a indução da tensão alternada nas bobinas é um Ímã e o mesmo não pode ter seu campo magnético aumentado ou diminuído e, desta maneira, não permitiria o ajuste da tensão de saída para que a mesma fosse corrigida quando fossemos aplicando carga ao nosso alternador.

Trazendo nosso alternador teórico para o mundo real.

Vamos primeiro colocar três bobinas defasadas de 120° cada uma, desta maneira teremos agora um alternador trifásico.

Vamos, também, substituir o ìmã permanente que havíamos utilizado em nosso modelo por um eletroímã. Utilizando o eletroímã ao invés de um ímã permanente poderemos variar a intensidade do campo magnético gerado pelo mesmo, bastando variar a intensidade de corrente que circulará pela bobina deste. Lembro que esta corrente que alimentará o eletroímã precisa ser contínua.

Abaixo temos um desenho esquemático de como seria este alternador.

Encontramos mais um problema: 

Se o eletroímã gira como iremos conectar cabos para fazer a corrente elétrica circular em suas bobinas?

Vamos mostrar agora como nos alternadores mais antigos este problema foi resolvido:

Na ponta do eixo que faz girar o eletroímã são instalados "ANÉIS" fixos. Para fazer o contato elétrico com a parte fixa e para conectar os cabos são utilizados bastões de grafites que são chamados de "ESCOVAS"

O grafite é um bom condutor de eletricidade além de ser bastante resistente a abrasão e sua estrutura molecular é de tal forma que provoca pouco desgaste nos anéis por isto é o material escolhido para as escovas.

Nomenclatura técnica das partes de um alternador:

Quanto ao seu posicionamento físico na montagem:

As bobinas A, B e C não se movimentam, ficam estáticas na carcaça do equipamento, por tanto estas serão o ESTATOR do alternador.

o eletroímã será uma bobina que ficará rotacionando dentro do equipamento, por tanto esta será o ROTOR do alternador.

Quanto a sua função elétrica:

As bobinas A, B e C recebem a indução provocada pelo eletroímã girando no alternador, portanto será chamada de ARMADURA.

O eletroímã que produz o campo magnético que provocará a indução na armadura e será chamado de CAMPO.

Resumindo, toda parte estática na carcaça do alternador será chamada de ESTATOR e toda a parte que estiver girando será chamada de ROTOR. Todos os elementos que sofrem indução serão chamados de ARMADURA e todos elementos que provocam a indução serão chamados de CAMPO.

Estes conceitos acima serão bastante necessários quando, em um artigo posterior, tratarmos do alternador brushless. Por tanto precisamos deste entendimento bastante solidificado. 

Como controlar a frequência e a tensão de saída?

Para manter a tensão de saída precisamos manter uma corrente circulando na bobina do campo do alternador. Esta corrente é chamada de CORRENTE DE EXCITAÇÃO  essa corrente será fornecida por uma EXCITATRIZ ESTÀTICA, conforme vemos no diagrama esquemático abaixo:

A excitatriz estática coleta a tensão da armadura, retifica e injeta uma corrente contínua na bobina do campo do alternador que será a corrente de excitação.

Ao mesmo tempo que retifica a corrente que vai excitar o campo do alternador a excitatriz estática controla esta corrente. Com uma tensão de setpoint definida (220, 380 ou 440 V) a excitatriz manterá neste valor. Toda a vez que a tensão da armadura ficar abaixo da tensão de setpoint a excitatriz estática aumenta a corrente de excitação e toda vez que a tensão de armadura ficar acima da tensão de setpoint ela diminui a corrente de excitação.

E o controle da frequência?

A frequência só pode ser ajustada variando-se a velocidade do motor. Se houver sub ou sobrefrequência ou oscilações na frequência estas devem ser resolvidas com ajustes no motor.

"A tensão é função do alternador e a frequência é função do motor". Essa é a regra de ouro dos grupos geradores.

Há algo errado.

"Se para gerar uma tensão na armadura dependemos de ter uma corrente de excitação e para termos uma corrente de excitação dependemos de ter a excitatriz alimentada com tensão da armadura como iremos iniciar a geração?"

Existe uma solução simples para este problema. O núcleo de ferro do campo ao ser desenergizado mantém um magnetismo chamado de magnetismo residual ou magnetismo remanente. Este magnetismo residual é suficiente para gerar algumas dezenas de volts, algo em torno de 30 a 70 V, dependerá do projeto e da tensão nominal da máquina.

Essa tensão gerada pelo magnetismo residual alimenta um circuito específico no interior da excitatriz chamado de CIRCUITO DE ESCORVAMENTO. Este circuito retifica esta tensão residual e injeta diretamente no campo. Isso provocará um ciclo virtuoso em que a tensão da armadura aumenta, aumentando a corrente de excitação que aumenta a tensão de armadura e que aumenta mais ainda a corrente de excitação. Esse ciclo vai se repetindo até que a tensão nominal seja alcançada. Isto, quando ocorre, um relé corta o circuito de escorvamento e a tensão passa a ser mantida pelo circuito de controle da excitatriz estática que será mantida no valor nominal.

No próximo artigo abordaremos o funcionamento de alternadores sem escovas (Brushless) e os reguladores de tensão.

Este tema foi sugerido por Antônio Carlos de Diadema em São Paulo. Técnico de geradores que está acompanhando a postagem de nossos artigos. Você também pode sugerir temas para as próximas publicações e tirar dúvidas usando os comentários.

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