ELÉTRICA INDUSTRIAL cap4

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Capítulo 4 
ALTERNADORES 
 
 
Esta aula apresenta os princípios de funcionamento dos alternadores, explica a razão de 
alguns dos seus detalhes construtivos e porque se utilizam freqüências padrão de 50 Hz e 
60 Hz. 
Estrutura básica dos alternadores 
A maior parte da energia elétrica consumida em todo o mundo é gerada a partir de fontes 
primárias convencionais. Qualquer que seja o tipo da fonte primária - hídrica, fóssil ou 
nuclear - o processo de geração de eletricidade contém uma etapa intermediária na qual a 
energia primária é convertida em energia mecânica (movimento de um eixo) através de 
uma turbina. Essa energia mecânica proveniente da turbina é finalmente convertida em 
energia elétrica através de um alternador. Os alternadores são máquinas elétricas que 
geram eletricidade fornecendo tensão alternada (daí o nome) com forma de onda senoidal e 
pertencem à classe das máquinas síncronas, pois a freqüência da tensão senoidal gerada 
está acoplada (sincronizada) à velocidade de acionamento pela turbina. 
Todo alternador possui dois componentes principais: 
• Estator - conjunto de bobinas enroladas em núcleo de material ferromagnético 
(armadura), que não se movem (daí o nome), e onde se produz a tensão elétrica 
alternada senoidal; 
• Rotor - uma bobina com muitas espiras enroladas em núcleo de material 
ferromagnético (campo), que se move (daí o nome) acionada pelo eixo da turbina e 
onde se faz passar, por meio de anéis de cobre e contatos de grafite (escovas), uma 
corrente contínua proveniente de uma fonte CC externa. 
O desenho esquemático abaixo mostra a posição relativa do rotor e estator de um alternador 
acionado por uma turbina hidráulica (hidrogerador), cuja configuração é tipicamente 
encontrada em usinas hidrelétricas. A parte superior (trapezoidal) do desenho representa um 
gerador de corrente contínua acionado pelo mesmo eixo, uma solução freqüentemente 
usada no passado para fornecer a corrente contínua que o rotor necessita, tendo sido 
atualmente substituído por retificadores a diodos. 
 
Capítulo 4 - Alternadores 
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Alternador elementar de dois pólos 
O princípio de funcionamento de um alternador pode ser melhor entendido considerando-se 
um gerador elementar com apenas dois pólos, o menor número possível. Sabe-se que um 
imã permanente possui dois pólos (norte e sul), assim como uma bobina percorrida por uma 
corrente (eletroímã) também possui dois pólos. 
O rotor de um alternador elementar de dois pólos contém uma bobina (enrolamento de 
campo) alimentada com corrente contínua, constituindo um eletroímã cujos pólos norte e 
sul não mudam com o tempo. Esse eletroímã produz um fluxo magnético no espaço em seu 
entorno, sendo mais intenso na direção do eixo da bobina, como ilustra a figura abaixo. 
Note que o núcleo ferromagnético não é simétrico, mas sim forma pólos salientes, que é a 
estrutura normalmente utilizada em alternadores de usinas hidrelétricas. 
 
Já a figura abaixo mostra um corte lateral do rotor de dois pólos salientes, ilustrando como 
se injeta corrente contínua, proveniente de uma fonte externa representada por uma bateria, 
na bobina de campo através de anéis e escovas de grafite. 
Capítulo 4 - Alternadores 
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Por outro lado, o estator de um alternador de dois pólos contém apenas um enrolamento 
(armadura), como representado esquematicamente na figura abaixo. 
 
Observe que, quando o rotor gira acionado pela turbina em velocidade constante, o fluxo 
magnético produzido pela bobina de campo atravessa as espiras da bobina do estator de 
uma maneira não-uniforme. Quando os eixos magnéticos do rotor e estator estão alinhados 
o enlaçamento do fluxo pela bobina de armadura é sempre máximo, ora em um sentido ( 
), ora em outro ( ). Quando os eixos estão em posição perpendicular, 
o enlaçamento é nulo ( ou ( )). Em outras palavras, o fluxo magnético 
que atravessa o estator varia à medida que o rotor gira e essa variação induz uma tensão 
na bobina do estator em obediência à lei de Faraday. Lembre-se que a lei de Faraday 
estabelece que se o número de linhas de força do fluxo magnético que passa por dentro de 
(enlaça) uma espira variar, então será induzida uma tensão nos terminais da espira. E mais, 
essa tensão induzida será proporcional à taxa de variação do fluxo total enlaçado, ou seja: 
 
Em resumo, o processo de conversão de energia mecânica em eletricidade, realizado nos 
alternadores, consiste em utilizar energia mecânica para fazer as linhas de força de um 
fluxo magnético (produzido pelo rotor) atravessarem as espiras estacionárias do estator, nas 
quais aparece induzida uma tensão elétrica que irá alimentar as cargas. Afinal, um 
alternador é uma fonte de tensão, pois converte energia mecânica em energia elétrica. 
No caso do alternador de dois pólos, pode-se considerar que a distribuição do fluxo em 
função da posição relativa do rotor, descrita pelo ângulo na figura acima, seja: 
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em que é o fluxo máximo constante na direção do eixo magnético do rotor. Desse 
modo, a tensão terminal do alternador, induzida na bobina do estator, será dada pela 
derivada do fluxo em relação ao tempo, ou seja: 
 
 
lembrando que, em termos gerais, e que usualmente define-se 
quando . Note que, nessas condições, a tensão de saída do alternador tem a forma 
senoidal, como ilustra a figura abaixo. O ângulo é chamado de ângulo elétrico da tensão 
gerada, sendo medido em radianos ou graus. 
 
 
A propósito, o que o ângulo elétrico tem a ver com a freqüência da tensão senoidal 
gerada? Pense nisso. 
Alternador elementar trifásico 
O alternador elementar apresentado anteriormente possui, no estator, somente uma bobina 
(enrolamento), cujas extremidades são conectadas à dois terminais entre os quais se 
estabelece a tensão elétrica gerada. Portanto, para se transportar a energia elétrica até uma 
carga são precisos dois fios: um chamado fase e outro chamado retorno ou neutro. Por 
isso, esse tipo de alternador é denominado monofásico. 
Todavia, os alternadores utilizados nas usinas hidrelétricas e térmicas possuem três 
bobinas no estator, sendo por isso chamados de trifásicos. A figura abaixo mostra 
esquematicamente os enrolamentos do rotor e estator de um alternador elementar trifásico 
de dois pólos, 
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Observe que os três enrolamentos são iguais, independentes e distribuídos ao longo da 
periferia do estator (armadura) de tal modo que seus eixos magnéticos formem ângulos de 
entre si. O enrolamento do rotor (campo) é percorrido por corrente contínua, 
fornecida por uma fonte de tensão contínua externa através de anéis e escovas. O princípio 
de funcionamento de um alternador trifásico é idêntico ao de um alternador monofásico, ou 
seja, o rotor ao girar, acionado por uma turbina com velocidade constante, faz com que o 
fluxo magnético produzido pela bobina de campo atravesse progressivamente as bobinas do 
estator, induzindo em cada uma delas uma tensão com a mesma amplitude, de acordo com 
a lei de Faraday. Como os eixos magnéticos das bobinas do estator formam ângulos de 
, as tensões senoidais induzidas estão defasadas de elétricos ao longo do tempo, 
conforme ilustra a figura abaixo. 
 
Cada bobina do estator corresponde a uma fase do alternador trifásico, sendo que as fases 
serão designadas, neste texto, pelas primeiras letras do alfabeto a, b, c. As normas 
brasileiras, estabelecidas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), utilizam 
as letras R, S, T, seguindo normas européias. A tensão induzida em cada enrolamento do 
estator é chamada de tensão de fase,sendo identificada pelo índice inferior correspondente 
a cada fase: Va, Vb, Vc. 
Os três enrolamentos (aa', bb', cc') do estator de um alternador trifásico são 
frequentemente conectados como mostrado na figura abaixo. Note que os terminais a', b', 
c' das bobinas foram ligados eletricamente a um ponto comum, acessível externamente 
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através de um fio chamado neutro. Essa forma é conhecida como conexão Y ou estrela, 
por lembrar os respectivos formatos. 
 
Note que, para se extrair a energia elétrica gerada por um alternador trifásico, são 
necessários três fios no mínimo (o fio neutro é opcional, como será visto mais tarde). A 
conexão Y com neutro dos enrolamentos do estator estabelece dois tipos de tensão entre os 
fios terminais do alternador: um tipo corresponde às já definidas tensões de fase Van, Vbn, 
Vcn, existentes entre o neutro e cada respectivo terminal de fase; um outro tipo corresponde 
às chamadas tensões de linha Vab, Vbc, Vca, obtidas entre cada dois fios de fase. Será 
demonstrado mais tarde que as três tensões de linha também são senoidais e defasadas de 
elétricos entre si, do mesmo modo que as tensões de fase, embora existam, em 
relação a estas últimas, diferenças em amplitude (valor eficaz) e fase. 
 
Um conjunto de três tensões senoidais de mesma amplitude e defasadas de elétricos 
entre si é denominado sistema trifásico. Tanto a geração quanto a transmissão e 
distribuição de energia elétrica utilizam normalmente sistemas trifásicos, visando explorar 
suas vantagens em comparação aos sistemas monofásicos, que são utilizados apenas nas 
instalações elétricas de baixa tensão (127 V ou 220 V). As vantagens de um sistema 
trifásico são de várias naturezas, que irão sendo compreendidas ao longo deste texto. Por 
ora, pode-se dizer que um alternador trifásico possui maior potência especifíca do que um 
alternador monofásico de mesma capacidade de geração. A potência especifíca de um 
equipamento, medida em W/Kg, fornece a relação entre a potência elétrica e a massa do 
equipamento. No caso de alternadores, dada uma certa massa de cobre e ferro-silício (que 
são os principais materiais necessários), quanto maior a potência específica maior será a 
potência gerada. Em outras palavras, um alternador trifásico é mais eficiente que um 
monofásico de potência semelhante. O mesmo fato se aplica a transformadores, linhas de 
transmissão e motores elétricos trifásicos. 
Relação velocidade-frequência em alternadores 
Em um alternador elementar com dois pólos, a tensão alternada senoidal gerada percorre 
exatamente um período da forma de onda enquanto o rotor completa uma rotação em torno 
de seu eixo. Diz-se, nesse caso, que o ângulo elétrico da tensão é igual ao ângulo mecânico 
que descreve a posição do rotor em relação a uma referência fixa no estator. Esse fato se 
deve ao número de pólos da máquina. 
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Considere agora um alternador elementar com quatro pólos salientes, como ilustrado 
esquematicamente na figura que se segue. 
 
Note que o rotor tem quatro bobinas em série (a corrente é a mesma) formando o 
enrolamento de campo, enquanto que o estator possui duas bobinas aa' e bb' também 
conectadas em série. A estrutura de material ferromagnético do estator (armadura) não está 
mostrada na figura para simplificar o desenho. Nesse alternador de quatro pólos, quando o 
rotor completar uma rotação em torno de seu eixo, a tensão alternada senoidal gerada terá 
percorrido exatamente dois períodos da forma de onda e pode-se, desse modo, afirmar que 
o ângulo elétrico da tensão é igual a duas vezes o ângulo mecânico que descreve a posição 
do rotor em relação a uma referência fixa no estator. A figura abaixo ilustra a diferença 
entre as formas de onda da tensão gerada quando o alternador tem dois pólos (em azul) ou 
quatro pólos (em vermelho), supondo mesmo valor eficaz. Note que a freqüência da tensão 
no alternador de quatro pólos é o dobro da freqüência da tensão no alternador de dois pólos. 
 
 
Em um alternador com p pólos, pode-se afirmar que os ângulos elétrico e mecânico 
obedecem à seguinte relação: 
 
 
Derivando-se essa expressão em relação ao tempo, obtém-se uma relação semelhante entre 
a velocidade angular elétrica ( ) e a velocidade de rotação do rotor do alternador (n), 
ambas expressas em rad/s: 
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Lembrando que , em que f representa a frequência da tensão gerada expressa 
em Hz, tem-se: 
 
 
Como usualmente exprime-se uma velocidade de rotação em rotações por minuto (rpm), é 
conveniente transformar essa unidade na equação anterior utilizando a regra de conversão 
 
e chegando a: 
 
 
Essa equação fornece a freqüência (em Hz) da tensão gerada por um alternador de p pólos 
acionado por uma turbina com velocidade de rotação n (em rpm). Observe que ela se aplica 
tanto a alternadores monofásicos quanto trifásicos, bastando neste último caso considerar 
cada tensão de fase ou cada tensão de linha individualmente. Embora muito simples, essa 
equação é extremamente útil, pois permite não só entender porque um alternador é uma 
máquina síncrona (a freqüência está diretamente relacionada com a velocidade de 
acionamento), como também justificar diversos aspectos geométricos e tecnológicos na 
construção dos alternadores. 
Porque hidrogeradores são largos e turbogeradores 
compridos 
Um hidrogerador é um alternador síncrono acionado por uma turbina hidráulica. As 
turbinas hidráulicas são por natureza formadas por grandes e pesadas estruturas metálicas, 
fato que, aliado à inércia de grandes massas de água, determina uma velocidade de rotação 
relativamente baixa, variando usualmente entre 80-300 rpm no caso de turbinas Francis ou 
Kaplan e chegando a 600 rpm no caso de turbinas Pelton . Como exemplo, veja na figura o 
rotor de uma turbina hidráulica Francis da usina de Itaipu. Essa turbina aciona um 
hidrogerador de Itaipu com a velocidade de 92,3 rpm. Como a frequência padrão no Brasil 
é 60 Hz, a relação velocidade-frequência, deduzida na seção anterior, impõe que o número 
de pólos do alternador seja igual a 78. Tal quantidade de pólos exige o uso de pólos do tipo 
saliente no rotor do alternador, bem como obriga seu diâmetro a ter grande dimensão. 
 
Torna-se então evidente porque os hidrogeradores possuem uma geometria mais larga que 
comprida. Observe na figura o rotor de um alternador da usina de Itaipu. que possui 
diâmetro de aproximadamente 16 metros. O que se vê em primeiro plano são as cabeças de 
cada pólo saliente, sendo que cada enrolamento de campo situa-se por trás em sentido 
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longitudinal. O núcleo de material ferromagnético é laminado, ou seja, constituído por 
lâminas justapostas e isoladas por verniz a fim de diminuírem as correntes de Foucault. 
 
Os enrolamentos do estator, correspondentes ao mesmo número de pólos do rotor, situam-
se distribuídos pela periferia de uma estrutura de material ferromagnético que envolve o 
rotor e, portanto, também possui grande dimensão diametral. Veja nas figuras a montagem 
da estrutura e a montagem dos enrolamentos distribuídos no estator de um hidrogerador. O 
núcleo de material ferromagnético do estator também é laminado. Veja ainda a ilustração 
mostrando um hidrogerador completo em corte, o que permite verificar os detalhes 
construtivos. Note, na parte superior, a pequena máquina elétrica (gerador CC), acionada 
pelo mesmo eixo, que fornece a corrente contínua para o enrolamento de campo no rotor. 
 
Por outro lado, um turbogerador é um alternador síncrono acionada por turbinas a vapor ou 
a gás. Uma turbina a vapor ou a gás tem o rotor constituídopor um grande número de 
palhetas montadas radialmente formando conjuntos chamados rodízios. Esses rodízios 
possuem diâmetros variados, sendo dispostos em paralelo e presos ao mesmo eixo, 
formando diversos estágios. O vapor ou gás de exaustão vai passando dos rodízios menores 
para os maiores à medida que a pressão for caindo, a fim de manter o torque 
aproximadamente constante. O eixo do rotor da turbina é sempre colocado na posição 
horizontal. Veja a figura mostrando os rodízios do rotor de uma turbina a vapor e a 
ilustração que apresenta a estrutura básica de uma turbina a vapor. Devido à sua estrutura, 
turbinas a vapor ou gás possuem velocidades de rotação relativamente altas (tipicamente 
1800 ou 3600 rpm) e, portanto, um turbogerador precisa ter somente um pequeno número 
de pólos (4 ou 2) para gerar uma tensão com frequência padrão de 60 Hz. Essa reduzida 
quantidade de pólos permite que o rotor do turbogerador tenha um diâmetro relativamente 
pequeno e que se usem pólos lisos cilíndricos. Por essa razão, a geometria de um 
turbogerador é mais comprida que larga. A figura abaixo mostra como o enrolamento de 
campo é disposto em um rotor de pólos lisos com dois pólos. O rotor dos turbogeradores é 
maciço (não laminado) devido à dificuldade de manter agregadas as lâminas de material 
ferromagnético em altas rotações. 
 
 
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Porque a freqüência é 60 Hz 
Os sistemas de corrente alternada trabalham, hoje em dia, com uma freqüência padrão para 
suas formas de onda senoidais. Isso significa que todos os alternadores do sistema devem 
gerar uma tensão senoidal com a mesma freqüência elétrica, independentemente do tipo de 
turbina de acionamento. O valor dessa freqüência padrão depende de cada país, sendo até 
mesmo considerado um dos símbolos nacionais, como a bandeira, o hino, a moeda. 
Atualmente, somente dois valores são utilizados: 60 Hz no Brasil, EUA e Canadá e 50 Hz 
nos demais países da América Latina e Europa. No Japão, parte do país usa 50 Hz enquanto 
outra parte usa 60 Hz, pois os sistemas são independentes. 
 
Por que é necessário ter uma freqüência padrão e como apareceram os valores de 50 ou 60 
Hz? 
 
Quando os sistemas de corrente alternada começaram a ser utilizados, a partir de 1885, cada 
um deles adotava a freqüência mais conveniente à fonte primária (carvão ou hidráulica), ao 
conjunto turbina-gerador disponível e ao uso final da energia (carga). Isso era possível 
porque os sistemas operavam isoladamente, não havendo interconexão elétrica entre eles, 
mesmo quando pertenciam à mesma empresa. As freqüências de 125 Hz e 133 Hz eram as 
mais utilizadas para atender à carga de iluminação constituída por lâmpadas 
incandescentes, de longe o principal tipo de consumo na época. Um arranjo típico 
(Westinghouse, 1890) era um motor a vapor com velocidade de 2000 rpm acionando um 
alternador de 8 pólos para gerar a 133 Hz. Já para atender à carga industrial, constituída por 
motores elétricos, a freqüência mais usada era 25 Hz. Por exemplo, os hidrogeradores com 
12 pólos da usina de Niagara Falls (EUA, 1895) geravam a 25 Hz ao serem acionados por 
turbinas hidráulicas de 250 rpm. A justificativa para se usar freqüência tão baixa deve-se 
ao fato que os motores elétricos empregados na época, embora alimentados com corrente 
alternada, eram na verdade motores de corrente contínua (provavelmente motores CC com 
excitação série, chamado hoje em dia motor universal, pois funciona tanto em CC quanto 
em CA) que funcionam melhor com freqüência mais baixa. Além disso, os motores CA de 
indução, inventado por Nikola Tesla em 1888 e que aos poucos ia substituindo o motor CC 
na indústria, precisavam ser alimentados com freqüência baixa para que sua velocidade de 
rotação fosse compatível com as aplicações industriais da época. Em um motor de indução, 
a velocidade é diretamente proporcional à freqüência da tensão de alimentação, como será 
visto mais tarde. Por outro lado, a freqüência de 25 Hz não é adequada para alimentar 
lâmpadas incandescentes, pois o comportamento pulsante em baixa freqüência da potência 
instantânea na lâmpada deixa visível ao olho humano o “acende-apaga” do filamento, 
ocasionando um efeito desagradável chamado cintilação. Quanto menor a freqüência, maior 
é o efeito de cintilação. 
 
Esses fatos levaram a uma situação muito confusa, pois as empresas precisavam fornecer 
energia em baixa freqüência para motores e alta freqüência para iluminação. Dependendo 
do local, cada empresa utilizava as mais diferentes freqüências variando de 16 Hz a 133 
Hz. Por exemplo, nos EUA, a Westinghouse adotou, em 1892, a freqüência de 60 Hz para 
iluminação e 30 Hz para força (motores CA). Na Alemanha, a empresa AEG utilizava 50 
Hz. Em Londres, por volta de 1925, coexistiam cinqüenta sistemas independentes 
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utilizando dez diferentes freqüências. Essa situação começou a mudar quando ficaram 
evidentes as vantagens da operação interligada de sistemas elétricos antes isolados, pois se 
percebeu que o consumo de eletricidade segue diferentes padrões dependendo da região e 
da hora do dia. Com a interconexão seria possível transferir energia entre regiões com 
distintos horários de pico, por exemplo, permitindo uma utilização mais econômica dos 
equipamentos e propiciando negócios de compra e venda de energia. Porém, interligar 
sistemas elétricos de corrente alternada exige padronização da freqüência, já que todos os 
geradores precisam operar em sincronismo, ou seja, fornecer tensões com a mesma 
freqüência a fim de manter a forma de onda senoidal. Uma solução alternativa, mas 
antieconômica, seria usar equipamentos conversores de freqüência nas fronteiras da 
interligação. Diante disso, houve uma convergência paulatina para o padrão 60 Hz nos 
EUA e o padrão 50 Hz na Europa, cujos valores satisfaziam tanto às cargas de iluminação 
quanto às cargas industriais, que necessitavam de motores de indução mais velozes, bem 
como eram compatíveis com as velocidades usuais das turbinas. E' interessante lembrar que 
a Inglaterra adotou o padrão 50 Hz somente após a II Guerra Mundial. No Brasil, as duas 
freqüências padrão conviveram desde a construção das primeiras usinas hidrelétricas no 
início do século 20: em São Paulo e Minas Gerais usava-se 60 Hz e no Rio de Janeiro 50 
Hz. Em meados da década de 50, os sistemas de São Paulo e Rio de Janeiro foram 
interligados através de um conversor de freqüências localizado em Aparecida do Norte. 
Essa situação perdurou até meados da década de 60 quando se estabeleceu o padrão 60 Hz 
para todo o País. 
 
A propósito, note que nos grandes aviões a jato os sistemas elétricos CA utilizam 
freqüência de 400 Hz, pois equipamentos eletromagnéticos de mesma potência são 
menores e mais leves quanto mais alta a freqüência. Por que, então, não se utilizam 
modernamente freqüências mais altas nos sistemas de fornecimento de energia elétrica ? 
Pense nisso.