A evolução dos alternadores brushless.

 

Ricardo Figueiredo

A evolução dos alternadores brushless:

Como vimos no artigo anterior, o surgimento do alternador brushless resolveu uma imensa gama de problemas mas ainda tínhamos o que melhorar.

Para a melhor compreensão deste artigo e necessário que tenha lido antes estes dois artigos:

• Como funciona um alternador (gerador de corrente alternada)?
• Como funciona um alternador sem escovas (brushless)?

Voltemos a analisar o diagrama do alternador brushless do artigo passado.

Vejam no diagrama acima, na parte grafada de vermelho, que o regulador de tensão retira a tensão de referência e a alimentação para o campo do mesmo ponto em que a carga é conectada ao alternador.

A tensão de referência é a amostra de tensão que o regulador constantemente está medindo para avaliar se precisa ou não alterar o valor da corrente de excitação que é aplicada ao campo do alternador a fim de manter a tensão de saída da armadura no valor nominal.

Como isto pode representar um problema?

Imaginemos duas situações que são afetadas por esta situação: Na ocorrência de um curto-circuito e partida de motores elétricos alimentados pelo alternador.

Curto-circuito:

No caso de um curto-circuito a tensão da armadura baixa tendendo a zero. Só não chega a zero pois existe a impedância interna do alternador somada a impedância do cabo até o ponto do curto. Essas duas impedâncias possuem valores muito baixos e por este motivo, a tensão de saída da armadura será muito baixa e insuficiente para prover uma corrente de excitação que seja suficiente para que a corrente de curto-circuto seja mantida.

Mas a corrente de curto circuito deve ser mantida?

Sim, deve ser mantida. 

Na situação explicada acima, devido ao valor baixo de tensão que o regulador de tensão tem a sua disposição para aplicar ao campo, o alternador manterá uma corrente de curto-circuito inferior a corrente que o dispositivo de proteção (disjuntor ou fusível) fará o desarme mas é alta o suficiente para danificá-lo. Por tanto é importante que a corrente de curto-circuito seja mantida para que a proteção atue.

Partida de Motores:

No caso de motores elétricos de indução temos suas correntes de partida na razão de 6 a 7 vezes a corrente nominal e provocará um efeito semelhante ao curto-circuito, uma queda excessiva da tensão impedindo que motores de potências mais altas possam partir permanecendo com rotor parado até a proteção atuar. 

Veremos em artigos mais adiante que a partida de motores demanda uma alta parcela de potência reativa e isto contribui ainda mais para que a tensão de saída armadura seja menor.

Como este problema foi resolvido nos alternadores brushless mais modernos?

Uma maneira de resolvermos este problema é termos uma fonte de alimentação para o  prover a corrente de excitação sem depender da tensão da armadura. Com esta solução a tensão de armadura passa a ser apenas a referência de tensão que será medida pelo regulador de tensão para aumentar ou diminuir a corrente de excitação conforme for a necessidade de manter a saída da armadura dentro do valor nominal.

Alternadores com bobina auxiliar:

É uma bobina ou conjunto de bobinas que estão instaladas no estator que funciona como uma fonte de alimentação monofásica. Vide o diagrama esquemático abaixo:

Essa bobina auxiliar é excitada pelo campo do alternador e é colocada em série com a tensão da fase "T", mesmo que a tensão desta fase venha a cair a quase zero ainda teremos tensão na bobina auxiliar para que possa alimentar o campo. 

Além de melhorarmos bastante a regulação de tensão nos casos de curto-circuito e partida de motores, a bobina auxiliar melhora a estabilidade de tensão principalmente quando temos carga variável.

Alternadores com excitação PMG:

Já temos uma grande melhoria com a adoção da tecnologia de bobina auxiliar, mas ainda temos uma dependência da tensão da armadura e do campo do alternador principal que é o mesmo que excita a bobina auxiliar. 

A sigla PMG vem do Inglês Permanente Magnetics Generator (Gerador com Ímã permanente).

Se, como vimos no artigo anterior, o alternador brushless é composto por 2 alternadores sendo um principal e outro auxiliar, quando temos um alternador que utiliza a tecnologia PMG temos, além destes dois alternadores citados, um terceiro gerador com ímã permanente  para alimentar a excitação de forma independente. Vejam o diagrama esquemático abaixo:

No caso do PMG, conforme diagrama esquemático acima, sua armadura fica no estator e o seu campo fica no rotor e não é um eletroímã e sim ímã permanente.

A tensão gerada pela armadura do PMG vai ao regulador de tensão e será responsável por alimentar o retificador que manterá a corrente de excitação. Desta forma temos uma tensão de saída do alternador mais estável e uma excitação completamente independente do restante do conjunto. Isto garante uma estabilidade maior e uma melhor peformance em curto-circuitos e em partidas de motores além desta tecnologia ser bastante indicada para alimentar cargas não lineares como, retificadores de bateriais, no-breaks, inversores de frequência, computadores e afins. Este tipo de cargas provocam distorções hamônicas, assunto que abordaremos mais adiante.

Um erro comum que os técnicos de geradores cometem:

Na minha jornada com geradores, constantemente me deparo com o fato de técnicos de geradores que, por desconhecimento ou seja para baratear os reparos, isolam a bobina auxiliar ou o PMG do alternador e passam a utilizar estes alternadores como um gerador brushless comum.

Pelo que vimos, quando isolamos a bobina auxiliar ou o PMG, voltamos a ter todos os problema anteriores a adoção desta tecnologia. Passamos a ter o risco de queima dos alternadores nos casos de curto-circuito, reduzimos a capacidade de partida de motores elétricos e pioramos muito a estabilidade de tensão da máquina em cargas variáveis.

Devemos evitar sempre a eliminação destes recursos que representam uma imensa melhoria na tecnologia brushless de geradores.

Proteção contra curto-circuito de alternadores:

Já que falamos em curto-circuito em alternadores vamos aproveitar para falar das proteções para estes alternadores.

Mesmo utilizando as tecnologias de bobina auxiliar ou PMG, nenhum alternador de grupo gerador manterá corrente de curto-circuito superior a 3,5 vezes a sua corrente nominal.  Sabendo disto podemos afirmar com relação as proteções abaixo:

• Fusíveis: Não protegem os alternadores. Se verificarmos as curvas dos mesmos, mantendo-se uma corrente de curto-circuito de 3,5 vezes a corrente nominal, esse fusível abriria o circuito com um tempo longo o suficiente para queimar o alternador. Eu diria até, que colocar fusíveis para proteger um alternador, é desperdício pois não funciona.
• Disjuntores termo-magnéticos comuns: Da mesma maneira que os fusíveis, teríamos sua atuação em um tempo insuficiente para que não cause danos ao alternador em curto-circuitos. Seria eficiente apenas em casos de sobrecargas.

A proteção adequada para protegermos contra curto-circuitos em alternadores seria a utilização de disjuntores com a possibilidade de ajuste de sua atuação instantânea. Desta forma, poderíamos ajustar essa atuação em 3 ou 3,5 vezes a corrente nominal.

Em fim espero que tenham gostado e que aproveitem bem mais este artigo. Tenho procurado fazer estes artigos em uma linguagem acessível, de forma direta e simples. Sem fazer artigos muito longos e que sejam uma leitura prazeirosa para os que, como eu, são apixonados por este assunto. Em caso de dúvidas, por favor postem em comentários e nos dê sugestões para melhorarmos o blog e novos assuntos que sejam de seu interesse.

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