Alternador

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Imagem histórica de um alternador trifásico do Kraftwerk Heimbach , Alemanha

O alternador é uma máquina elétrica giratória baseada na lei física da indução eletromagnética (ou Faraday-Neumann), que converte a energia mecânica fornecida pelo motor primário em energia elétrica na forma de corrente alternada . Este processo, denominado conversão eletromecânica de energia, envolve a formação de campos magnéticos que atuam como meio intermediário. A conversão eletromecânica de energia é muito eficiente, com rendimentos normalmente próximos a 95%. [ sem fonte ]

A rede elétrica é, em grande parte, alimentada por alternadores, uma vez que esses geradores são os meios de conversão da energia presente nas principais usinas .

Princípio construtivo

A construção e o princípio de funcionamento variam de acordo com o tipo de gerador.

Gerador síncrono

A máquina consiste em uma peça oca fixa, chamada de estator , dentro da qual gira uma peça cilíndrica chaveada no eixo de rotação, chamada de rotor .

O rotor gera o campo magnético giratório por meio de eletroímãs , alternativamente, ímãs permanentes são usados ​​que não requerem alimentação. No estator encontram-se os enrolamentos elétricos nos quais são induzidas as forças eletromotrizes que suportarão a corrente elétrica produzida. [1] [2] . A frequência das revoluções do rotor é dada pela fórmula: . A única exceção são os alternadores trifásicos ou bifásicos para motociclos, onde os alternadores não são verdadeiros alternadores trifásicos ou bifásicos, mas são alternadores três ou dois monofásicos dispostos equidistantes e sujeitos a pares trifásicos ou bifásicos por rotação, portanto, há três ou duas ondas sinusoidais não fora de fase.

O tipo de construção varia consideravelmente de acordo com o tipo de máquina a que estão acoplados. No caso de alternadores localizados em usinas hidrelétricas, onde a turbina hidráulica tem velocidade de rotação não muito elevada, da ordem de algumas centenas de rotações por minuto, o enrolamento do rotor projeta-se em relação ao eixo (falamos de um N "pólo saliente da máquina" [3] ). A velocidade depende das características da turbina hidráulica e é inversamente proporcional ao número de pólos. Alternadores acoplados a turbomáquinas (turbinas a gás ou a vapor) possuem o enrolamento do rotor alojado em ranhuras, maior velocidade de rotação, e são diferenciados ainda pelo tipo de resfriamento, ar, água e hidrogênio.

A eficiência desses alternadores é muito alta, em torno de 0,97 (97%) para descer para 0,83 (83%).

Gerador assíncrono

Se, por outro lado, um motor assíncrono é utilizado como base, este motor é utilizado como gerador apenas quando as potências envolvidas estão contidas e principalmente quando está conectado a uma rede elétrica vigente (rede nacional), que é mantida em tensão por alternadores síncronos. Para funcionar como um gerador, o motor assíncrono obtém energia reativa da rede para magnetizar o circuito do rotor (uma vez que os circuitos do rotor em gaiola de esquilo são desprovidos de excitação), o rotor é então iniciado por uma fonte de energia externa (fonte mecânica) e levado ao hipersincronismo (o rotor gira mais rápido que o campo magnético do estator), tornando-se um gerador de energia. Nessa condição, embora forneça energia ativa para a rede predominante, ele simultaneamente absorve energia reativa para manter o campo magnético giratório energizado. De acordo com alguns estudos, a eficiência dessas máquinas deve ficar em torno de 0,6 (60%), para cair para 0,4 (40%), resultando assim muito abaixo do sistema síncrono, mas com a vantagem de serem robustas e fáceis de gerenciar, já que em caso de aumento da velocidade do eixo não há sobrefrequência (maior frequência), mas fenômenos mecânicos localizados, por exemplo, no eixo (como frenagem).

Para operar um gerador assíncrono em uma ilha (sem rede principal externa conectada, mas sendo o único gerador), são usados ​​capacitores conectados aos terminais do motor, ambos para a saída trifásica 220/380 com capacitores em estrela de 3 400 volts 15. microfarads por kW, e para o monofásico a 230 V, com a técnica C-2C, dois capacitores sendo que o segundo ("2C") tem o dobro do valor do primeiro ("c"), que fornecem a potência reativa necessário para o motor, permitindo que funcione como um gerador. O defeito desta aplicação é a necessidade de um regulador mecânico no sistema de potência (motor de combustão interna, turbina, etc.) ou dissipação eletrônica localizada a jusante do motor assíncrono / gerador de forma isolada. Conseqüentemente, haverá uma frequência e uma tensão estável conforme a carga elétrica conectada varia. Esta técnica é chamada IGC ( Induction Generator Controller ) e é frequentemente usada em turbinas hidrelétricas, mesmo acima de 50 kW operando isoladamente. Obviamente, uma resistência elétrica (lastro) será necessária para dissipar toda a potência produzida. Às vezes, uma mistura das duas técnicas também é usada em turbinas hidráulicas autônomas, nem é preciso dizer que é absurdo usar esse sistema com um motor assíncrono como gerador para um gerador fora da rede: um alternador síncrono é melhor, na verdade o autônomo assíncrono é usado apenas para turbinas bi-hidráulicas de baixa potência, mas a carga deve ser principalmente resistiva, caso contrário o risco de desexcitação, com consequente perda de tensão e aumento de velocidade (escape da turbina / motor principal). O assíncrono pode ser usado em paralelo à rede que fornece a tensão de excitação para as turbinas hidráulicas que liberam energia em paralelo à rede nacional.

Usos práticos

Imagem histórica: Alternadores usados ​​em uma casa de máquinas do início do século XX (1909) de uma usina hidrelétrica no Turcomenistão ( Império Russo ), para a produção de eletricidade.

Os alternadores são muitos os usos, que são usados ​​em quase todas as usinas que depois os transformam para permitir o transporte e a distribuição para uso industrial e doméstico. O processo que alimenta mecanicamente o eixo do alternador é semelhante a todos os tipos de usinas e é baseado em uma turbina ou motor de combustão interna . Isso inclui aquelas capazes de explorar a energia potencial , como as hidrelétricas , ou a energia térmica a vapor , como as termelétricas [4] , geotérmicas e termonucleares .

Nesses grandes alternadores, a eletricidade é produzida em níveis de voltagem da ordem de milhares de volts , geralmente trifásicos com uma frequência de 50 Hertz (60 nos Estados Unidos e em alguns outros países). A velocidade de rotação é constante, é função das características construtivas da máquina e do motor principal a que está acoplada e é independente da carga; à medida que aumenta ou diminui (ou seja, dos usuários conectados) a velocidade de rotação não muda, mas para mantê-la inalterada é necessário aumentar ou diminuir o alcance da força que o faz se mover, isso porque cada usuário conectado aumenta a resistência oposta ao movimento ( força contra-eletromotriz ).

Graças à habilidade alcançada pela indústria eletrônica na miniaturização de componentes, o alternador vem substituindo progressivamente o dínamo na produção de eletricidade em automóveis e em todos os demais veículos motorizados. [5] Tem a função de manter a bateria carregada, necessária para a partida do motor e acionamento de todas as funções elétricas de bordo. Como não há meios de armazenar energia elétrica em corrente alternada, existe uma ponte retificadora que tem a função de transformá-la em corrente contínua e assim permitir seu acúmulo na bateria. Mesmo nas bicicletas, impõe-se o uso de um pequeno alternador, no lugar do dínamo, para alimentar os dispositivos de iluminação.

Testes sem carga e curto-circuito

Esses testes são usados ​​para analisar as características do alternador. [6]

O ensaio sem carga permite obter as características de magnetização e fem , para este ensaio o alternador deve ser acionado por um motor que deve superar as perdas sem carga do gerador, que chegam a 0,5 ± 4% da potência nominal [7 ]

O teste de curto-circuito permite obter a corrente de curto-circuito permanente, a relação de curto-circuito e o traçado da característica de curto-circuito [8]

Operação estacionária

Princípio de funcionamento de um alternador bifásico.

O alternador, em sua forma mais simples, é composto por um solenóide atingido por um campo magnético que gira em torno de um eixo perpendicular às linhas de campo. Na verdade, vamos considerar as seguintes aproximações:

Primeiro definimos duas coordenadas generalizadas :

  • o ângulo variável do campo do rotor em relação a uma fase do estator:
  • o ângulo variável de um enrolamento do rotor em relação à mesma fase do estator: .

Em seguida, expressamos a indução magnética do rotor vista da fase do estator:

onde a amplitude (que para baixa frequência verifica a lei de Ampère , ou seja, sem corrente de deslocamento ):

e, portanto, o fluxo magnético do rotor concatenado com a fase do estator de referência é válido pela escolha da superfície semicilíndrica interna do estator:

onde L r é a indutância variável do rotor, que resolvendo a integral é:

.

Correspondentemente, a indução magnética de uma fase do estator sf em outra é uma onda quadrada de amplitude:

No entanto, uma vez que as bobinas realmente ocupam um arco de enrolamento não desprezível, é aproximado em uma série de Fourier truncada na primeira ordem:

o coeficiente 2 / π torna a média integral do campo senoidal idêntica à intensidade do campo quadrado: .

A corrente do estator está alternando com a mesma frequência do campo do rotor, portanto:

e expressar cada indução nas coordenadas da fase de referência que tem ângulos θ e φ, no sistema com N f fases:

com .

Com base na segunda fórmula de Werner, podemos decompor cada indução em dois campos contra-rotativos:

As induções são somadas se forem lineares; se além disso as amplitudes das correntes das fases do estator são iguais entre si, as das induções magnéticas também serão iguais, portanto podemos retirá-las das somas:

O primeiro é uma soma de termos constantes, enquanto o segundo é nulo porque os termos são partições de duas transformadas em N f partes.

Finalmente, o fluxo magnético do estator ligado à fase de referência é:

onde L sb é a indutância do estator L s sem considerar o componente de dispersão L sd , que resolvendo a integral é:

,

enquanto I é a corrente total do estator relatada na fase, igual a:

,

Agora, para o princípio de superposição válido para circuitos magnéticos lineares e a lei de Faraday-Neumann-Lenz :

,

Cadê é chamada de tensão sem carga do alternador.

executando a transformada de Fourier da equação anterior, temos:

,

Cadê , é a reatância síncrona. Isso permite delinear o circuito elétrico equivalente do alternador.

Vantagens técnicas em comparação com um dínamo

As vantagens técnicas na produção de eletricidade em um alternador em comparação com um dínamo são essencialmente duas:

  • A eliminação de partes rastejantes
  • A produção de eletricidade em corrente alternada em vez de em corrente contínua .

A eliminação das escovas, ou seja, dos contatos deslizantes que necessitam de contato mecânico com o coletor, reduz em um alternador a quantidade de peças necessárias para sua construção em relação à construção de um dínamo, e também reduz a necessidade de manutenção periódica do máquina devido ao desgaste das peças em contato.

Embora a tecnologia ao longo dos anos tenha contribuído para melhorar as qualidades mecânicas dos dínamos, reduzindo a resistência elétrica dos materiais usados, a eficiência total de um dínamo ainda é afetada pelas frações de energia subtraídas pelo atrito, de modo que os alternadores a substituíram quase completamente em a tarefa da produção de eletricidade, salvo os raros casos em que é necessário gerar corrente contínua e não é possível usar um retificador , ou não é muito conveniente fazê-lo.

Alternador motor

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Alternador de motor .

O alternador do setor de transportes passou por uma evolução, que passa pela utilização do alternador também como motor de arranque.

Observação

  1. ^ O alternador. Arquivado em 28 de junho de 2009 no arquivo da Internet .
  2. ^ O alternador
  3. ^ Princípio de operação e aspectos construtivos dos alternadores
  4. ^ Capítulo 3 - As usinas termelétricas ( PDF ), em tecnet.pte.enel.it . Recuperado em 6 de maio de 2009 (arquivado do original em 13 de agosto de 2011) .
  5. ^ O alternador (transporte)
  6. ^ Fundamentos de sistemas elétricos ( PDF ), na universidade de Pavia . Recuperado em 16 de novembro de 2020 (arquivado do original em 9 de abril de 2016) .
  7. ^ Teste de vácuo de um alternador , em webalice.it . Recuperado em 25 de abril de 2014 (arquivado do original em 26 de abril de 2014) .
  8. ^ Teste de curto-circuito de um alternador , em webalice.it . Recuperado em 25 de abril de 2014 (arquivado do original em 26 de abril de 2014) .

Bibliografia

  • Olivieri e Ravelli; Eletrotécnica, segundo volume: máquinas elétricas. Edições CEDAM.

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