Gerador de Corrente Alternada: Introdução
Geradores de corrente alternada (AC) sincronizados são amplamente utilizados na geração de energia elétrica no setor de engenharia de energia. Mais de 95% de toda a energia elétrica consumida atualmente é produzida por geradores elétricos de corrente alternada trifásica (3~). O princípio de funcionamento de todos os geradores AC baseia-se na lei da indução eletromagnética de Faraday.
Motor Diesel Conectado a um Gerador AC
Lei de Faraday
Duas leis físicas são fundamentais para o funcionamento da indústria de engenharia elétrica.
- Lei de Faraday – um campo magnético variável induzirá uma tensão em qualquer condutor presente nesse campo.
- Lei de Ampère – corrente elétrica fluindo em um condutor gera um campo magnético ao redor desse condutor.
Lei de Ampère - Campos Magnéticos Criados ao Redor de Condutores Devido ao Fluxo de Corrente
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Fluxo Convencional e Verdadeiro de Corrente (Fluxo de Lacunas)
Quando a corrente (medida em Amperes) flui através de um condutor, um campo magnético é criado ao redor desse condutor. A direção do campo magnético depende da direção do fluxo de corrente.
Regra da Mão Direita
A regra da mão direita indica a direção do campo magnético com base no fluxo convencional de corrente (positivo para negativo). A regra da mão direita é assim chamada porque, se uma mão segura um condutor, o polegar indicará a direção do fluxo de corrente enquanto os dedos enrolados ao redor do condutor indicarão a direção do campo magnético.
Regra da Mão Direita
Regra da Mão Esquerda
A regra da mão esquerda mostra a direção do campo magnético com base no fluxo verdadeiro de corrente (negativo para positivo). A maioria das indústrias de engenharia elétrica utiliza o fluxo convencional de corrente, enquanto as indústrias eletrônicas preferem o fluxo verdadeiro de corrente (também conhecido como ‘fluxo de lacunas’). Para a maioria das aplicações, a direção do fluxo de corrente não é crucial, então o erro histórico de assumir que a corrente flui de positivo para negativo nunca foi corrigido.
Importante – A maioria das publicações utiliza a REGRA DA MÃO DIREITA. Assuma o fluxo convencional de corrente, a menos que indicado de outra forma.
Regra da Mão Esquerda
Regra da Mão Esquerda de Fleming
É útil estar ciente de outra regra da mão esquerda que é usada com mais frequência do que a regra da mão esquerda mencionada anteriormente; esta regra é chamada de ‘regra da mão esquerda de Fleming’.
A regra da mão esquerda de Fleming é usada para determinar a força exercida sobre um condutor energizado (carregado eletricamente) quando colocado dentro de um campo magnético. A regra da mão esquerda de Fleming é frequentemente usada para determinar a direção de rotação de motores elétricos.
Regra da Mão Esquerda de Fleming
Lei de Faraday
A lei de Faraday será agora discutida em mais detalhes, pois está diretamente relacionada a como a eletricidade é gerada (a lei de Ampère será discutida mais tarde).
A lei de Faraday afirma que se um condutor se move através de um campo magnético, uma tensão (diferença de potencial elétrico) será induzida nesse condutor. Da mesma forma, uma tensão será induzida em um condutor estacionário se ele estiver localizado dentro de um campo magnético variável. Nenhuma tensão será induzida se o campo magnético for estático (não variável).
Ímã com Linhas de Campo Magnético
Note que a lei de Faraday também é referida como ‘lei da indução eletromagnética de Faraday’. Os termos ‘indução magnética’ e ‘indução eletromagnética’ têm o mesmo significado e são usados de forma intercambiável.
Campos Magnéticos
Campos magnéticos são representados desenhando uma série de linhas que se estendem de uma extremidade de um ímã à outra.
- Campos magnéticos mais fortes são representados por linhas de campo magnético mais próximas umas das outras.
- Campos magnéticos mais fracos são mais espaçados uns dos outros.
A força do campo de um ímã é proporcional à distância do ímã, ou seja, a força do campo é mais forte mais próxima do ímã e se torna mais fraca à medida que a distância do ímã aumenta.
Condutores
Um condutor é qualquer substância que permite o fluxo de corrente (permite o fluxo de elétrons). Alguns condutores têm melhores propriedades de condutividade (capacidade de conduzir corrente) do que outros. Na engenharia elétrica, cobre e alumínio são condutores populares porque têm alta condutividade.
Fiação de Cobre (Fios Condutores de Cobre)
Como Funcionam os Geradores AC
A lei de Faraday afirma que uma tensão é induzida em qualquer condutor que é colocado dentro de um campo magnético variável; esse processo de indução é conhecido como ‘indução eletromagnética’. Para gerar tensão de corrente alternada (AC), devemos, portanto, ou:
- Mover constantemente um condutor através de um campo magnético estacionário.
- Mover constantemente um campo magnético através de um condutor estacionário.
Instalações de geração de energia em grande escala produzem eletricidade usando a opção ‘mover constantemente um campo magnético através de um condutor estacionário’. Estações de energia não são construções simples, mas os princípios fundamentais de como a eletricidade é gerada por mais de 95% das estações de energia são mostrados abaixo.
Condutor Movendo-se Através de um Campo Magnético Estacionário
Note que a imagem acima mostra um condutor rotativo, mas as estações de energia têm condutores estacionários e ímãs rotativos (inverso da configuração mostrada na imagem).
Para gerar energia, é necessário um ímã e um meio de mover esse ímã continuamente para que o campo magnético mude constantemente. É possível mover o ímã para frente e para trás linearmente (em linha reta), mas isso seria um tanto impraticável e ineficiente. A maneira mais econômica de manter as linhas do campo magnético em movimento constante é girando o ímã. Isso pode ser facilmente alcançado acoplando o ímã a uma máquina cujo resultado é movimento rotativo. Por exemplo, ao acoplar um eixo de saída às máquinas abaixo e, em seguida, acoplar um ímã ao eixo de saída, podemos transferir o movimento rotativo da máquina (energia mecânica) para o ímã:
- Motor diesel.
- Turbina a vapor.
- Turbina de combustão.
- Turbina hidrelétrica (Kaplan, Francis, Pelton).
- Turbina eólica.
No mundo real, as máquinas acima são chamadas de ‘motores primários’ porque transferem a energia mecânica necessária para um gerador produzir energia elétrica. É importante perceber que ‘geradores’ não ‘geram’ energia elétrica. É apenas possível transferir energia de uma forma para outra.
A energia não pode ser destruída ou criada/gerada (Primeira Lei da Termodinâmica)
Motores primários transferem energia mecânica para geradores via um eixo e/ou caixa de engrenagens. Geradores convertem energia mecânica em energia elétrica.
Exemplo Básico de Geração de Energia
O vídeo abaixo é um extrato do nosso Curso Online de Engenharia Mecânica e Elétrica Explicada.
Para simular um motor primário, podemos fisicamente acoplar um ímã ao eixo de saída de uma roda d'água (turbina hidráulica). A água passa sobre a roda d'água, o que a faz girar e, consequentemente, o ímã gira. Se o suprimento de água for contínuo, a roda d'água gira continuamente, assim como o ímã. Agora que foi encontrado um meio de mudar continuamente o campo magnético, um condutor deve ser colocado dentro do campo magnético variável para que uma tensão possa ser induzida.
Configuração Básica de Geração de Energia AC
Colocar um único condutor dentro do campo magnético não induziria muita tensão nesse condutor, mas se o condutor for enrolado na forma de uma bobina, é possível induzir muito mais tensão. Para tornar a indução de tensão ainda mais eficiente, o condutor pode ser instalado o mais próximo possível do ímã. Além disso, adicionar mais voltas à bobina induzirá mais tensão, enquanto remover voltas da bobina induzirá menos tensão.
Quando o ímã está girando e um condutor foi colocado dentro do campo magnético, a tensão será induzida no condutor. Se o condutor estiver conectado a um circuito elétrico fechado, a corrente alternada fluirá. Eletricidade agora pode ser entregue/distribuída para os consumidores usarem!
Exemplo Básico de Geração de Energia AC
Rotor do Gerador
Geradores industriais dependem de componentes mais complexos do que simples ímãs e bobinas, mas os princípios de funcionamento da geração de energia permanecem os mesmos. O ímã rotativo de um gerador é chamado de ‘rotor’, enquanto a bobina é chamada de ‘estator’. É possível que o estator atue como o ímã e o rotor atue como a bobina, mas essa configuração não será discutida neste momento.
Um rotor normalmente consiste em uma série de ímãs montados em um núcleo laminado de placas finas de aço; as placas finas de aço laminadas são chamadas de ‘laminações’. As laminações influenciam a forma do campo magnético porque o aço contém ferro, que é magnético (capaz de atuar como um ímã ou ser atraído por um ímã). Além disso, as laminações focam o campo magnético para que o maior número possível de linhas magnéticas interseccionem com o condutor. Focar o campo magnético melhora a eficiência de um gerador porque a tensão induzida em um condutor aumenta à medida que o número de linhas de campo magnético que interseccionam o condutor aumenta.
Para aplicações do mundo real, o exemplo básico ‘ímã girando próximo a uma bobina’ descrito anteriormente não nos permitiria atender às demandas de energia elétrica da nossa civilização. Ímãs permanentes não são práticos para trabalhar (difíceis de transportar, representam riscos de segurança, etc.) e são caros. Uma forma alternativa de ímã é necessária, essa necessidade é atendida por eletroímãs.
Dica: Um ímã permanente é aquele cujos polos Norte e Sul são fixos e não mudam. Ímãs permanentes também são conhecidos como ‘ferroímãs’.
Ímãs Permanentes
O que é a lei de Ampère?
Antes de discutir eletroímãs, é necessário entender a lei de Ampère.
A Lei de Ampère afirma que corrente elétrica fluindo em um condutor cria um campo magnético ao redor desse condutor. A força do campo magnético criado é proporcional à quantidade de fluxo de corrente. Corrente contínua flui em uma direção e o tamanho do campo magnético resultante e sua polaridade são constantes. Corrente alternada flui em duas direções e os resultados são:
- O tamanho do campo magnético aumenta e diminui.
- A força do campo magnético aumenta e diminui.
- A polaridade do campo magnético se inverte (Norte para Sul e depois Sul para Norte).
Os resultados acima ocorrem em sintonia com a mudança de direção da corrente elétrica. Uma onda senoidal é usada para indicar a força do campo magnético ao longo do tempo e sua polaridade (Norte é positivo, Sul é negativo).
Onda Senoidal Variando ao Longo do Tempo
O que é polaridade?
Ímãs permanentes têm um polo Norte e um polo Sul. Se os polos Sul e Norte do ímã inverterem suas posições (de modo que o Norte se torne Sul e o Sul se torne Norte), a polaridade é dita como ‘invertida’.
Eletroímãs
Conforme mencionado anteriormente, a lei de Ampère afirma que ‘corrente elétrica fluindo em um condutor cria um campo magnético ao redor desse condutor’.
Se a corrente contínua (DC) estiver fluindo em um condutor, o campo magnético será constante.
Se a corrente alternada (AC) estiver fluindo em um condutor, o campo magnético variará (expandirá e contrairá).
A força de um campo magnético ao redor de um condutor é proporcional à quantidade de corrente fluindo através do condutor.
É possível criar um campo magnético focado enrolando um condutor na forma de uma bobina. Se a corrente fluir através da bobina, um polo Norte e Sul em cada extremidade da bobina será efetivamente criado.
Campo Magnético Devido ao Fluxo de Corrente Através de uma Bobina
Um eletroímã é criado quando a corrente flui através de uma bobina e um polo magnético Norte e Sul resultante se forma. Note que a posição do Norte e Sul pode ser invertida invertendo a direção do fluxo de corrente. A corrente contínua criaria um polo Norte e Sul fixo porque o fluxo de corrente é em uma direção apenas. A corrente alternada criaria polos Norte e Sul variáveis porque o fluxo de corrente é em duas direções (para frente e para trás).
Se bobinas forem instaladas em um rotor de gerador, é possível aplicar uma corrente elétrica a essas bobinas para criar um eletroímã. Instalar múltiplas bobinas no rotor permite a criação de múltiplos polos magnéticos Norte e Sul. Criar o campo magnético de um gerador usando eletroímãs tem várias vantagens significativas em comparação com o uso de ímãs permanentes:
- Controlar a corrente alimentada ao(s) eletroímã(s) torna possível controlar a força do campo magnético, assim é possível controlar quanto de tensão é induzida nas bobinas do estator (bobinas condutoras).
- Variar o número de bobinas usadas por um eletroímã determina a potencial força do campo magnético que um eletroímã pode criar; esta é uma característica importante e útil durante o processo de design.
- Materiais de bobina são geralmente muito mais fáceis de obter, manter e/ou substituir do que grandes ímãs permanentes.
- Eletroímãs são mais baratos em comparação com grandes ímãs permanentes.
- Eletroímãs são mais fáceis de manusear do que grandes ímãs permanentes.
O que são ‘pólos do rotor do gerador’?
Rotores de geradores são às vezes referidos como tendo ‘2-pólos’, ou, ‘4-pólos’ etc. Os ‘pólos’ referem-se ao polo Norte ou Sul de um ímã. Um rotor de 2-pólos tem um polo Sul e um polo Norte. Um rotor de 4-pólos tem dois polos Norte e dois polos Sul etc.
Estator do Gerador Elétrico
As bobinas condutoras ao redor de um rotor são coletivamente chamadas de ‘estator’. Cercar o rotor com uma bobina, ou uma série de bobinas, garante que as linhas de campo magnético produzidas pelo rotor intersectem com uma grande área das bobinas, o que resulta em mais tensão induzida.
Um estator com uma única bobina induziria tensão monofásica (1~). Instalar mais bobinas produz fases adicionais. Uma ‘fase’ é o potencial de tensão medido através de um único condutor. Induzir tensão em 3 bobinas separadas ao mesmo tempo não seria prático porque o sistema elétrico ciclaria fortemente entre tensão positiva e negativa, e não seria possível instalar as bobinas exatamente no mesmo espaço físico. Instalar três bobinas 120 graus separadas permite que a tensão seja induzida em três bobinas separadas de maneira mais equilibrada. Estações de energia produzem tensão AC trifásica.
Tensão AC Trifásica
Potência Elétrica (P=VI)
Potência elétrica é representada pela equação:
P = V I
Potência = Tensão x Corrente
Pode-se deduzir da equação acima que a potência será sempre 0 se o valor da tensão for 0, ou se o valor da corrente for 0. Um circuito aberto não tem fluxo de corrente, mas se o circuito estiver fechado, a corrente fluirá (se a corrente estiver presente). Embora seja possível ter tensão sem corrente, não é possível ter corrente sem tensão. Para produzir potência elétrica, devemos, portanto, ter tanto tensão quanto um circuito fechado para o fluxo de corrente.
Como as Estações de Energia Geram Eletricidade
Independentemente de qual tipo de estação de energia (usina) está sendo considerada, mais de 95% delas usam o princípio fundamental de ‘mover constantemente um campo magnético através de um condutor estacionário’ para gerar energia elétrica. Por exemplo:
- Usina a carvão (e qualquer usina a combustíveis fósseis) – queima combustível para liberar sua energia química como calor, que é então usado para transformar água em vapor. O vapor é alimentado para uma turbina a vapor, que faz a turbina girar. A energia mecânica resultante da turbina é transferida para um gerador via um eixo (e geralmente uma caixa de engrenagens).
- Turbina eólica – o vento passa sobre as pás do rotor de uma turbina eólica, o que faz as pás girarem. O movimento rotativo (energia cinética) das pás é alimentado para um gerador.
- Usina nuclear – gera calor (energia térmica) para aumentar a temperatura da água; a água é então alimentada para um trocador de calor. A água no lado da carcaça do trocador de calor de casco e tubo se transforma em vapor à medida que é aquecida; esse vapor é então alimentado para uma turbina a vapor que está conectada a um gerador.
- Usina hidrelétrica (barragem, armazenamento por bombeamento, corrente de maré, barragem de maré, corrente de rio) – a água é alimentada para um rotor de turbina, o que faz o rotor girar. O rotor está conectado a um eixo a um gerador.
Rotor de Turbina Hidrelétrica e Gerador
- Forno solar – ondas eletromagnéticas do sol são focadas em um ponto específico (forno solar) para gerar uma grande quantidade de calor nesse ponto. Um fluido térmico (geralmente sal fundido) absorve o calor e o transfere para a água através de um trocador de calor. A água muda de fase para vapor e o vapor é alimentado para uma turbina a vapor, que está conectada a um gerador.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php