Motores e geradores

Motores e geradores

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Os alternadores pertencem a categoria das máquinas síncronas, isto é, máquinas cuja rotação é diretamente relacionada ao número de pólos magnéticos e a freqüência da força eletromotriz. Não há, basicamente, diferenças construtivas entre um alternador e um motor síncrono, podendo um substituir o outro sem prejuízo de desempenho. Assim, um alternador quando tem seu eixo acionado por um motor, produz energia elétrica nos terminais e, ao contrário, recebendo energia elétrica nos seus terminais, produz energia mecânica na ponta do eixo, com o mesmo rendimento.

A indução magnética ocorre sempre que há movimento relativo entre um condutor e um campo magnético. Um gerador elementar seria aquele constituído por uma bobina que gira entre os pólos de um ímã, como na figura:

GERADOR ELEMENTAR – Uma espira de fio girando em um campo magnético forma um gerador elementar, que é ligado ao circuito externo por meio dos anéis coletores.

SAÍDA DO GERADOR ELEMENTAR – A força eletromotriz e a corrente de um gerador elementar mudam de direção cada vez que a espira gira 180°. A tensão de saída deste gerador é alternada. É um ALTERNADOR.

O campo magnético da figura acima é constituído por ímãs naturais. Para que seja possível controlar tensão e corrente em um alternador, o campo magnético é produzido por ímãs artificiais, formados por bobinas alimentadas com corrente contínua suprida por uma fonte externa e controlada por um regulador de tensão.

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Com muitas espiras, um campo magnético controlado por meio de um dispositivo de excitação com corrente contínua, montados em arranjo conveniente, fabrica-se os alternadores comerciais utilizados nos grupos geradores, bem como os grandes alternadores das usinas hidroelétricas. Na figura, vista explodida de um alternador produzido pela WEG.

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Estator e tampa com bobinas de campo da excitariz.

Rotor com ventilador , induzido da excitatriz e ponte retificadora na extremidade do eixo

Mecanicamente, o alternador é constituído por duas partes principais: uma fixa, que é a carcaça, onde se encontram os pés de fixação, e a outra móvel (girante). A parte fixa chamamos estator e a parte móvel chamamos rotor.

Eletricamente, também, são duas partes principais. Uma delas é responsável pelo campo magnético, onde estão localizados os pólos do alternador, que chamamos de campo (ou indutor). A outra parte é onde aparece a força eletromotriz, a qual chamamos de induzido.

O posicionamento do campo e do induzido dão origem a dois tipos de máquinas diferentes. Quando o campo está localizado no estator, temos o que chamamos de máquina de pólos fixos (ou de pólos externos) e, ao contrário, quando o campo se encontra no rotor, temos o que chamamos de máquina de pólos girantes (ou de pólos internos). As máquinas de pólos fixos são pouco utilizadas devido ao inconveniente da necessidade de escovas para retirar a energia gerada. As máquinas de pólos girantes são as mais utilizados por permitirem a retirada da energia diretamente dos terminais das bobinas.

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Segundo o tipo de aplicação, os alternadores são construídos com características especiais para atender os diversos segmentos a que se destinam, com diferenças de forma construtiva, isolação, refrigeração, acabamento e características elétricas conforme abaixo:

5.1 - APLICAÇÕES

Alternadores Industriais: São os chamados de “máquinas de linha”, destinados a atender a maioria dos consumidores normais.

Alternadores Navais: São máquinas construídas para uso naval, com todos os componentes projetados e tratados para resistir à corrosão marinha.

Alternadores Marinizados: basicamente são alternadores industriais destinados a serviço em áreas agressivas, recebendo então um tratamento especial em alguns componentes.

Alternadores para Telecomunicações: São máquinas especiais, com características determinadas para não causar interferência nas telecomunicações e também para atender ao tipo de carga, que é bastante severa. Em geral, os alternadores destinados a atender equipamentos de telecomunicações alimentam retificadores de alta capacidade que produzem deformações da forma de onda da tensão gerada, o que é levado em consideração no projeto e na construção do alternador especial.

Alternadores a prova de explosão: Destinam-se ao serviço em áreas saturadas, principalmente petrolíferas e químicas, onde há risco de materiais inflamáveis, sendo totalmente blindados para impedir que qualquer centelhamento entre em contato com a atmosfera ambiente, tendo por isso um sistema de refrigeração especial, tipo trocador de calor, de modo que o ar existente no interior da máquina não é transmitido ao exterior.

5.2 – NUMERO DE FASES

Pode-se ainda distinguir os alternadores segundo o numero de fases, que, no caso presente, são:

Alternadores monofásicos: São aqueles que possuem as bobinas do enrolamento induzido de tal forma que a tensão de saída é obtida em dois pontos terminais.

Alternadores trifásicos: Possuem três grupos independentes de bobinas, montadas defasadas em 120° entre si, sendo ligadas de tal maneira que podemos ter três ou quatro pontos de ligação para os consumidores. Em geral, cada grupo independente de bobinas tem duas bobinas separadas, para permitir que, com o fechamento das ligações externas, se obtenha valores diferentes de tensão, como veremos adiante. O tipo de fechamento normalmente utilizado é o “estrela com neutro acessível”, onde existe um ponto de ligação para cada fase mais um ponto denominado “neutro”, que é constituído pelo fechamento das extremidades das bobinas. A tensão entre os três pontos terminais de cada fase é sempre a mesma, que deve corresponder ao tipo de fechamento escolhido. A tensão medida entre cada fase e o neutro é menor, sendo, numericamente, igual ao valor da tensão entre fases

Eng José Cláudio Pereira w.joseclaudio.eng.br Pág. 48 / 7 dividida pela raiz quadrada de 3. O neutro é para ser ligado ao aterramento da instalação elétrica local.

No sistema trifásico ligado a carga equilibrada não deve haver circulação de corrente pelo condutor neutro, o que na prática resulta muito difícil, razão pela qual, os alternadores chamados industriais são construídos para suportar um desequilíbrio de carga entre fases máximo de 15%, valor que não deve ser excedido, pois além de provocar funcionamento irregular e diferenças de tensão entre fases, pode danificar o alternador.

5.3 – LIMITAÇÕES

O que limita a potência do alternador é a temperatura alcançada pelo enrolamento do induzido. Por isso, são máquinas que sofrem perdas por aquecimento, que pode resultar da temperatura ambiente ou da altitude. Os alternadores de linha normal de produção são fabricados para operar com temperatura ambiente máxima de 40°C e altitude de 1.0 m acima do nível do mar. Para serviço em condições mais adversas, é necessário corrigir para menos a potência do alternador.

5.4 – TENSÃO, POTÊNCIA E FREQÜÊNCIA

Nos sistemas trifásicos, a tensão entre fases é determinada pelas ligações de fechamento que forem executadas. Normalmente os alternadores são fornecidos com 12 terminais de bobinas do induzido para serem ligados de forma a gerar tensão em 220/127 V, 380/220 V ou 440/254 V. A tensão entre fase e neutro é o quociente da divisão da tensão entre fases pela raiz quadrada de 3. Os diferentes valores possíveis de tensão são o resultado do arranjo das bobinas, que são construídas em grupos, resultando para cada fase um conjunto de 2 bobinas que podem ser ligadas como se vê nas figuras seguintes:

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Observar que a numeração das extremidades das bobinas se faz em espiral, de fora para dentro, em sentido horário, de forma que os números 1 e 4, assim como 2 e 5 são extremidades da mesma bobina. O arranjo da numeração na caixa de terminais que utiliza barras de ligação é feito iniciando pelo número 1 no canto superior esquerdo, terminando com o número 3, no canto inferior direito. Em geral, há outros terminais na caixa, para ligação dos circuitos de excitação. Existem alternadores que apresentam 10 pontas ao invés de 12. Neste caso, os pontos 10, 1 e 12 já estão fechados internamente e o alternador não permite a ligação 380/220 V. Se for necessário utilizar 380/220 V, duas soluções podem ser adotadas: a) – utilizar o fechamento de 440/220 V e regular a tensão para 380 V no regulador de tensão ou b) – abrir a ligação interna das pontas 10, 1 e 12 e alterar o fechamento para o esquema acima. Na maioria dos casos de mudança de tensão, é necessário substituir o voltímetro do quadro de

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