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1.8 ELETROMAGNETISMO ( 27/10/2017 Máquinas Elétricas ): GERADOR CA. (TEORIA). GERADOR DE CORRENTE ALTERNADA PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Todas as máquinas elétricas funcionam segundo o princípio da indução eletromagnética, vide Figura 1. De acordo com este princípio, em todo condutor elétrico que se movimenta com uma dada velocidade dentro de um campo magnético surge uma tensão entre os seus terminais. A tensão obtida por meio deste fenômeno é chamada de tensão induzida, a qual é dada pela seguinte expressão: Onde: e = Fem ou tensão induzida (Volts). B = indução magnética do campo (Tesla). ℓ = comprimento do condutor (m). v = velocidade do condutor na direção perpendicular ao campo magnético (m/s). O condutor analisado anteriormente, quando ligado a uma carga, faz com que circule uma corrente i pela mesma, conforme mostra a Figura 2. 2.8 O esquema na Figura 2 representa, assim, um gerador elétrico elementar, cujo princípio pode ser resumido da seguinte forma: A máquina primária força o condutor a se movimentar no campo magnético exercendo sobre este uma força e transferindo ao mesmo uma determinada energia mecânica; O movimento do condutor faz com que uma tensão apareça entre os seus terminais a qual é dada pela equação acima; Ao ser conectada a uma carga circula uma corrente no condutor e pela carga. A potência mecânica transferida ao condutor é transferida ao circuito elétrico. COMPONENTES BÁSICOS A estrutura básica de um gerador CA é mostrada na Figura 3. Neste diagrama é possível distinguir dois componentes principais. O primeiro consiste de uma parte fixa denominada estator, a qual contém uma bobina com N espiras. O segundo componente é uma parte móvel, denominada rotor e que contém o enrolamento de campo. Campo e Armadura Quanto aos enrolamentos, as denominações campo e armadura independem do movimento da bobina, podendo ser relacionadas às tensões geradas e excitação e estar situadas tanto na parte móvel quanto na parte fixa das máquinas rotativas. O enrolamento de armadura consiste num grupo de bobinas interconectadas de maneira que todas as tensões geradas contribuam positivamente a um resultado desejado. Este enrolamento está relacionado ao efeito da indução de tensão e, portanto é também denominado de induzido. No caso do gerador CA mostrada na Figura 3, o enrolamento de armadura está situado no estator (esta é a montagem mais frequente neste tipo de equipamento), devido aos aspectos construtivos tais como: Tamanho e peso dos enrolamentos em máquinas síncronas trifásicas; Coleta (ou injeção) das tensões alternadas. 3.8 O enrolamento da armadura é construído em núcleos de ferro para que o caminho do fluxo magnético seja tão eficiente quanto possível. É por este enrolamento que circulará a corrente elétrica que as cargas ligadas ao gerador consumirão. Utilizam-se em geral núcleos laminados para a minimização da perda por correntes parasitas (correntes de Foucault) causadas pelo fluxo variável. O enrolamento de campo age como fonte primária de fluxo, estando relacionado, portanto à excitação da máquina. Este enrolamento transforma o rotor em um eletroímã. Em geradores de pequeno porte, costuma-se utilizar um imã permanente para substituir o enrolamento de campo. Nos geradores CA, em geral também por questões construtivas, o enrolamento de campo é de baixo nível de potência e está situado na parte móvel (rotor). Número de Fases O número de fases de um gerador CA está relacionado ao número e à posição das bobinas nos terminais onde é injetada (ou coletada) a tensão alternada (no caso, a armadura localizada no estator). No caso dos geradores monofásicos e trifásicos, tem se: Gerador CA 1 de 2 pólos: 1 bobina, disposta conforme mostra a Figura 3; Gerador CA 1 de 4 pólos: 2 bobinas, dispostas conforme mostra a Figura 4; Gerador CA 1 de p pólos: p/2bobinas dispostas uniformemente; Gerador CA 3 de 2 pólos: 3 bobinas defasadas de 120°, conforme mostra a Figura 5; Gerador CA 3 de 4 pólos: 2 conjuntos de 3 bobinas defasadas de 120°, conforme mostra a Figura 6; Gerador CA 3 de p pólos: p/2 conjuntos de 3 bobinas defasadas de 120°. 4.8 Tipos de Rotor O rotor do gerador CA pode ser de dois tipos: Rotor de pólos salientes: mostrado na Figura 3, este tipo de rotor possui a característica de variar a relutância do circuito magnético de acordo com o movimento de rotação a que está sujeito. O enrolamento de campo mostrado na figura é chamado enrolamento concentrado e o rotor possui dois pólos. Rotor de pólos cilíndricos: um rotor deste tipo não causa variação na relutância do circuito magnético da máquina. O enrolamento de campo mostrado na citada figura é denominado enrolamento distribuído. Ele é disposto em ranhuras e arranjado de forma a produzir um campo magnético aproximadamente senoidal de dois pólos. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O princípio de funcionamento do gerador CA consiste de dois pontos principais: 1) O enrolamento de campo é excitado por corrente contínua, levada até o mesmo por escovas de carvão apoiadas sobre anéis coletores. Esta corrente pode ser fornecida por um gerador de corrente contínua (ou por uma bateria) chamada excitatriz, frequentemente montado sobre o eixo do gerador CA. 2) Acionado por uma fonte de potência mecânica, denominada máquina primária, o rotor gira a uma velocidade constante e cria no entreferro uma onda de fluxo, a qual possui uma frequência diretamente relacionada à velocidade do rotor e amplitude relacionada à excitação do enrolamento de campo. Quando um gerador síncrono supre potência elétrica a uma carga, a corrente na armadura cria uma onda de fluxo no entreferro, que gira à velocidade síncrona. Este fluxo reage com o fluxo criado pela corrente de campo, resultando desta interação um conjugado eletromagnético devido à tendência dos dois campos de se alinharem. Num gerador, este conjugado se opõe à rotação, tal que a máquina primária deve aplicar conjugado mecânico a fim de sustentar a rotação. O conjugado eletromagnético é o mecanismo através do qual maior potência elétrica de saída exige maior potência mecânica de entrada. 5.8 A Figura 7 ilustra o funcionamento de uma única volta do gerador CA. Nota-se que quando a espira do enrolamento de armadura está posicionada a 90º das linhas de campo, a tensão gerada neste instante é zero. Quando a mesma espira está paralela às linhas de campo tem-se a tensão instantânea máxima. O movimento contínuo desta espira dentro do campo magnético criado pelas bobinas de campo (na figura, representadas apenas pela polaridade magnética criada por elas), alimentadas com corrente contínua, faz surgir a tensão senoidal que é encontrada nos sistemas de corrente alternada. Cada vez que a espira gira, tem-se uma rotação, onde é obtido um ciclo completo de tensão alternada, como também pode ser visto na Figura 8. 6.8 Esta tensão (ou corrente) alternada obedece a uma lei que é: Onde: v(t) = valor instantâneo da tensão elétrica em volts (V). Vmax = valor máximo que a tensão pode atingir em volts (V). ω = velocidade angular ou pulsação da corrente em radianos / segundo (rad/s). φ = ângulo onde a tensão inicia. A pulsação ω depende do período T ou da frequência f da onda senoidal, isto é: Frequência é o número de ciclos que se repetem por segundo e é dado em hertz (H). A pulsação ω também é pode ser definida como “graus elétricos”.Note que, quando a máquina síncrona é de apenas dois pólos os graus elétricos coincidem com os graus mecânicos, isto é, em uma volta a espira percorre 360º e da mesma forma ω variou 360º indicando que a espira caminhou do pólo norte ao pólo sul e retornou ao pólo norte. Caso a máquina possua quatro pólos, estes estarão arranjados na sequência N-S-N-S-N, indicando que eletricamente ocorrerá a seguinte variação: 0º-180º-360º-540º-720º, isto é, ω deu duas voltas”, No entanto, mecanicamente, a espira percorreu apenas uma volta, ou seja, 360º. 7.8 Funcionamento como motor O funcionamento da máquina síncrona como motor baseia-se nos seguintes dois pontos principais: Corrente alternada é fornecida ao enrolamento de armadura; Corrente contínua é suprida ao enrolamento de campo; O campo magnético criado pela corrente na armadura gira à velocidade síncrona. Para produzir um conjugado eletromagnético permanente, os campos magnéticos do estator (armadura) e rotor (campo) devem ser constantes em amplitude e estacionários um em relação ao outro. A velocidade de regime permanente do motor é determinada pelo número de pólos e pela frequência da corrente da armadura. No caso do motor, o conjugado eletromagnético está na direção da rotação e equilibra o conjugado oponente exigido para mover a carga mecânica. A tensão rotacional age, portanto em oposição à tensão e corrente aplicadas. FREQÜÊNCIA, VELOCIDADE E NÚMERO DE PÓLOS. A Figura 3 e a Figura 6 representam rotores de dois e quatro pólos salientes, respectivamente. Os enrolamentos de campo são do tipo concentrado e as máquinas são monofásicas. No funcionamento como gerador, a tensão gerada passa por um ciclo completo de valores toda vez que pólos do mesmo tipo (norte ou sul) se posicionam coincidentes com um terminal do enrolamento da armadura (a1, -a1, a2, -a2). Assim, cada rotação do rotor da máquina de dois pólos corresponde a um ciclo completo de valores de tensão. A frequência em ciclos por segundo (Hz) é igual à velocidade mecânica do rotor em rotações por segundo (rps); ou seja, a frequência elétrica está sincronizada com a velocidade mecânica, razão pela qual a denominação máquina síncrona. Nas máquinas com número de pólos superior a dois, é conveniente concentrar a atenção apenas num par de pólos e verificar que as condições elétricas, magnéticas e mecânicas associadas a qualquer par de pólos são repetições daquelas correspondentes ao par em consideração. Na máquina de quatro pólos, observa-se que um ciclo completo de valores de tensão gerada é alcançado apenas para meia rotação do rotor. Uma rotação completa do rotor corresponde a dois ciclos de tensão. Numa máquina de p pólos, uma rotação completa do rotor corresponderá a p/2 ciclos de tensão. A denominação da posição do rotor de graus mecânicos e do ângulo correspondente a cada valor do ciclo de tensão gerada de graus elétricos permite estabelecer a seguinte relação: Onde: θelet = graus elétricos [° ou radianos]. p = número de pólos. θmec = ângulos mecânicos (físicos) [° ou radianos]. 8.8 De forma análoga, a frequência da onda de tensão (f) em Hertz, pode ser relacionada à velocidade mecânica (n), em rotações por minuto (rpm), da seguinte forma: Onde: f = frequência, em Hertz. p = número de pólos da máquina. n = rotação da máquina, em rpm. Portanto, para operar na frequência de 60 Hz os rotores dos geradores de 2 e 4 pólos devem girar nas velocidades angulares de 3600 e 1800 rpm, respectivamente; ou seja, quanto maior o número de pólos, mais lentamente o rotor precisa girar para que seja alcançada uma determinada frequência. Nos geradores hidrelétricos, as turbinas hidráulicas operam em baixa velocidade e por esta razão um número de pólos relativamente grande é necessário para produzir a tensão na frequência desejada. O rotor do tipo pólos salientes é mais conveniente para esta aplicação. Por outro lado, turbinas a vapor e a gás operam com velocidades relativamente altas, tal que os respectivos geradores possuem número de pólos reduzido. Neste caso, os rotores do tipo pólos cilíndricos são mais adequados.
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