Gerador Eltrico

Em 1831, tanto Michael Faraday, no Reino Unido, como Joseph Henry, nos Estados Unidos, demonstraram cada um a seu modo, mas ao mesmo tempo, a possibilidade de transformar energia mecnica em energia eltrica.

Figura - Gerador de Corrente Alternada

1. As duas extremidades da armadura de um gerador de corrente alternada ligam-se a anis condutores, a que se apiam escovas de carbono. 2. A armadura gira e a corrente flui no sentido anti-horrio. A escova do anel A conduz a corrente para fora da armadura, permitindo que uma lmpada se acenda; o anel B devolve a corrente armadura. 3. Quando a armadura gira paralelamente ao campo magntico, no h gerao de corrente. 4. Uma frao de segundos depois, a armadura volta a girar paralelamente ao campo magntico, e a corrente inverte seu sentido: a escova do anel coletor B a conduz para fora da armadura e a do anel A a devolve armadura.

Se variarmos o fluxo de B que atravessa uma espira, ou seja, a quantidade de linhas de campo que furam a superfcie plana de uma espira (figura 1) produziremos uma corrente induzida na espira que tenta criar um campo magntico, instantaneamente, para compensar a perda ou o ganho de campo. Ou seja, se a variao for no sentido de diminuir as linhas de campo, produziremos uma corrente induzida que cria campo na mesma direo e sentido que o campo da espira (sequencia superior da figura). Se a variao for no sentido de criar linhas de campo, ento surgir uma corrente induzida para criar um campo induzido na mesma direo mas em sentido oposto do campo da espira para anularmos o este acrscimo (sequencia inferior da figura).

Embora diversas formas de energia (mecnica, trmica, qumica etc.) possam ser convertidas em eletricidade, o termo "gerador eltrico" se reserva, na indstria, apenas para as mquinas que convertem energia mecnica em eltrica. Conforme as caractersticas da corrente eltrica que produzem, os geradores podem ser de corrente contnua (dnamos) e alternada (alternadores). Histrico Os geradores usados na indstria so baseados no mesmo princpio empregado por Faraday e Henry: a induo magntica. O gerador de Faraday consistia num disco de cobre que girava no campo magntico formado pelos plos de um m de ferradura e produzia corrente contnua. Um ano depois, outro pesquisador obteve

corrente alternada valendo-se de um gerador com ms e enrolamento de fio numa armadura de ferro. As mquinas eltricas foram desenvolvidas em ritmo acelerado, devido principalmente aos trabalhos de Antonio Pacinotti, Znobe Gramme, que introduziu o enrolamento em anel, e de Werner Siemens, que inventou o enrolamento em tambor at hoje empregado. Somente cerca de 50 anos depois das experincias de Faraday e Henry foram obtidos geradores comercialmente aproveitveis. Devem-se tais conquistas s contribuies de Thomas Edison, Edward Weston, Nikola Tesla, John Hopkinson e Charles Francis Brush. No fim do sculo XIX, a inveno da lmpada eltrica e a instalao de um sistema prtico de produo e distribuio de corrente eltrica contriburam para a rpida evoluo dos geradores e motores eltricos. A partir de pequenos geradores, simples aparelhos de pesquisa em laboratrio, foram construdos alternadores e dnamos de pequena potncia e, finalmente, gigantescos geradores. Princpio de funcionamento O gerador eltrico mais simples formado por uma espira plana com liberdade suficiente para se mover sob a ao de um campo magntico uniforme. Essa espira gira em torno de um eixo perpendicular direo das linhas de fora do campo magntico aplicado. A variao do valor do fluxo que atravessa a espira mvel induz nela uma fora eletromotriz. Assim, a fora eletromotriz resulta do movimento relativo que h entre a espira e o campo magntico. A corrente produzida desse modo alternada. Para se obter corrente contnua, preciso dotar o gerador de um dispositivo que faa a retificao da corrente, denominado coletor dos dnamos. Pela descrio do princpio de funcionamento dos geradores, v-se que possuem dois circuitos distintos: o do induzido e o do indutor. No caso do gerador elementar descrito, o induzido seria a bobina mvel e o indutor o campo magntico. Tipos de geradores Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta. Alm dos dois grupos mais gerais - geradores de corrente contnua e de corrente alternada -, os dnamos podem ser, quanto ao nmero de plos, dipolares e multipolares; quanto ao enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitao, auto-excitados e de excitao independente.

O enrolamento em anel adotado por Gramme est praticamente em desuso. O enrolamento induzido consiste

num cilindro oco em torno do qual se enrola continuamente o fio isolado que constitui a bobina. O enrolamento em tambor, inventado por Siemens, consiste num cilindro em cuja superfcie externa esto dispostas as bobinas do induzido. Essas bobinas so colocadas em ranhuras existentes na superfcie do tambor, sendo suas duas pontas soldadas s teclas do coletor. Conforme a maneira como feita essa ligao, os enrolamentos so classificados em imbricados e ondulados e podem ser regressivos ou progressivos. A corrente para a excitao do campo magntico pode ser fornecida pelo prprio gerador. Nesse caso, diz-se que o gerador auto-excitado. Quando a corrente para a excitao fornecida por uma fonte exterior, o gerador de excitao independente. De acordo com a forma de ligao entre as bobinas do indutor e do induzido nos geradores auto-excitados, diz-se que estes tm excitao dos tipos:

srie: quando as bobinas excitadoras so constitudas por poucas espiras de fio e ligadas em srie com o induzido; shunt ou paralelo: quando o indutor e o induzido so ligados em derivao; compound: quando existem bobinas excitadoras ligadas em srie e em paralelo com o induzido. Este o tipo de excitao mais comumente usado nos dnamos.

Analogamente aos dnamos, os alternadores podem ter enrolamento imbricado ou ondulado. Podem ainda ter enrolamento em espiral e em cadeia. Naquele, as bobinas de um mesmo grupo so ligadas de tal maneira que o bobinamento final tem forma de espiral. Quanto ao nmero de fases, os alternadores podem ser monofsicos, difsicos e trifsicos. Os geradores monofsicos so atualmente muito raros, j que a corrente monofsica pode ser obtida a partir de geradores trifsicos. Ainda se podem citar alguns tipos especiais de dnamos de uso relativamente reduzido: o unipolar ou homopolar, o gerador de trs escovas e o de plo diversor. Em linhas gerais, a construo de dnamos semelhante dos alternadores. A principal diferena est no coletor segmentado para retificao da corrente gerada no induzido. Esse dispositivo inexistente nos alternadores, j que, nesse caso, no h necessidade de se ter uma retificao da corrente gerada. A outra diferena marcante est no campo indutor. O dnamo emprega o sistema de campo estacionrio, enquanto o alternador quase sempre de campo giratrio. Isso torna possvel a obteno de maior potncia eltrica, reduz a necessidade de manuteno para assegurar o bom contato entre escovas e anis coletores e requer meios mais simples para fazer a ligao com o circuito externo. O dnamo formado das seguintes partes principais: carcaa, ncleo e peas polares, ncleo do induzido ou armadura, induzido, coletor, escovas, portaescovas, eixo e mancais. A carcaa o suporte mecnico da mquina e serve tambm como cobertura externa. normalmente construda de ao ou ferro

fundido. Os plos so feitos de ao-silcio laminado, para reduzir ao mximo as perdas por corrente de Foucault, e as bobinas de campo so de fios de cobre. A armadura, pea que aloja as bobinas do induzido, de ao laminado e possui condutores internos por onde se faz o resfriamento da mquina. O coletor consiste numa srie de segmentos de cobre ou bronze fosforoso, isolados entre si por finssimas lminas de mica, que tm a forma externa perfeitamente cilndrica. Ao coletor so soldados os terminais das bobinas do induzido. As escovas, rgos que coletam a corrente retificada no coletor, so de carvo e grafita ou metal e grafita. O porta-escovas a armao metlica que mantm ajustadas as escovas de encontro ao coletor. Os mancais mais usados so os do tipo de luva, lubrificados por leo, ou ento do tipo de esferas ou rolamentos lubrificados a graxa. No alternador, no existe o coletor. Quando o induzido giratrio, as escovas fazem contato com anis coletores, a partir das quais a corrente alternada gerada transferida para o circuito externo. Quando, ao contrrio, o induzido estacionrio (caso mais frequente), o papel dos anis coletores e escovas conduzir a corrente contnua necessria para a excitao do campo girante. Nos alternadores de grande porte comum a instalao, no mesmo eixo do rotor das mquinas, de um gerador de corrente contnua de menores propores (denominado excitatriz) para o fornecimento dessa corrente. COPEL: http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2 Feducacao%2Fpagcopel2.nsf%2Fverdocatual%2F40A0E2ABD99123CF032 5740C00496689

Geradores de Energia Eltrica (Conceitos bsicos) Prof. Luiz Ferraz Netto leobarretos@uol.com.br Geradores Mecnicos de Energia Eltrica Todo dispositivo cuja finalidade produzir energia eltrica custa de energia mecnica constitui uma mquina geradora de energia eltrica (diz-se tambm, impropriamente, mquina geradora de eletricidade --- eletricidade no uma grandeza fsica, um ramo da Fsica). O funcionamento dessas mquinas se baseia ou em fenmenos eletrostticos (como no caso do gerador Van de Graaff), ou na induo eletromagntica (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicaes industriais a energia eltrica provm quase exclusivamente de geradores mecnicos cujo princpio o fenmeno da induo eletromagntica (e dos quais o disco de Faraday um simples precursor); os geradores mecnicos de corrente alternante so tambm

denominados alternadores; os geradores mecnicos de corrente contnua so tambm denominados dnamos. Vale, desde j, notar que: "dnamo" de bicicleta no dnamo e sim 'alternador'. Numa mquina eltrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de rgos ligados rigidamente carcaa e o rotor, sistema rgido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaa. Sob ponto d vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magntico, e o induzido que engendra a corrente induzida. No dnamo o rotor o induzido e o estator o indutor; nos alternador d-se geralmente o contrario. A corrente induzida produz campo magntico que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce foras contrrias rotao do rotor; por isso em dnamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclumos do Princpio de Conservao da Energia: a energia eltrica extrada da mquina, acrescida de eventuais perdas, compensada por suprimento de energia mecnica. Princpio de Funcionamento dos Alternadores Para esclarecer o principio de funcionamento dos alternadores, descrevamos inicialmente o mais simples deles (usado em faroletes de acionamento manual e de bicicleta, e em ignio de motores de exploso para motonetas). Acompanhemos pela ilustrao:

Diante de uma bobina fixa B (induzido) pe-se a girar um m SN (indutor), como ilustrado acima. O m mantm um campo do qual o fluxo concatenado com a bobina varia periodicamente, com a mesma freqncia de revoluo do m. Se a rotao do m for lenta, um galvanmetro sensvel G indica aproximadamente a corrente instantnea no decurso do tempo; se a rotao for rpida, necessrio um osciloscpio. Na ilustrao abaixo representamos fases consecutivas do fenmeno.

Conveno: Corrente positiva, vetor unitrio, fluxo positivo.

Nessa seqncia de ilustraes acima apresentamos as fases mais representativas no funcionamento de um alternador. a variao de fluxo que induz corrente. O fluxo varia enquanto aumenta ou diminui. Quando o fluxo mximo, ele no varia; a FEM induzida nula; a corrente nula e muda de sentido. O campo magntico produzido pela corrente induzida exerce no m foras contrarias sua rotao.

A FEM induzida no senoidal mas segue, grosso modo, o grfico posto acima, onde ilustramos no mesmo par de eixos, o fluxo de induo e a corrente induzida em um alternador, em um perodo (T). Enquanto o fluxo de induo diminui, a corrente positiva; quando o fluxo aumenta, a corrente negativa, segundo a conveno apresentada. Fluxo mximo ou mnimo corresponde a corrente induzida nula. O fluxo de induo varia mais acentuadamente quando prximo de ZERO; ento a corrente tem intensidade mxima (com sinal + ou -). Mais perfeito o sistema que examinaremos em seguida. Consideremos um a espira plana de forma qualquer, abrangendo uma rea A; seja l uma reta no plano desta espira. Introduzamos a espira em um campo de induo B uniforme, dispondo a reta l perpendicularmente ao campo B. Faamos a espira girar em torno da reta l como eixo, com velocidade angular w constante. Determinemos a fora eletromotriz induzida na espira girante.

Adotemos como origem dos tempos um dos instantes em que a normal n espira forma com o campo de induo B ngulo igual a um reto, passando de agudo para obtuso. Com a notao da ilustrao acima, o fluxo de induo na espira em qualquer instante dado por:

f = B.A.cos(w.t + p/2) = - B.A.sen w.t Sendo E = - df/dt, vem: E = w.B.A.cos w.t

Se a espira for substituda por uma bobina de N espiras, a fora eletromotriz induzida : E = N.w.B.A.cos w.t Como vemos, esta fora eletromotriz induzida obedece a uma lei harmnica cuja amplitude : Emx.= N.w.B.A Em funo do tempo, a fora eletromotriz induzida tem a representao cartesiana dada na ilustrao acima (figura da direita). A mudana de sinal da fora eletromotriz significa fisicamente que ela muda de polaridade, impulsionando uma corrente eltrica ora em um sentido, ora em sentido oposto. Uma fora eletromotriz que muda de polaridade periodicamente designada como fora eletromotriz alternante; no caso presente, trata-se de uma fora eletromotriz alternante harmnica. A fora eletromotriz que impele a corrente em nossas instalaes eltricas domiciliares do tipo alternante harmnica; em So Paulo, a fora eletromotriz eficaz igual a 117 volts (oportunamente daremos detalhes disso). Um exemplo numrico vir bem a calhar. Exemplo: Uma leve moldura de fibra, retangular, de rea A = 0,0100 m2 funciona como carretel onde se enrolam N = 42 espiras de fio de cobre esmaltado. Esse quadro posto a girar com freqncia f = 60 Hz (r.p.s.) em um campo de induo uniforme de intensidade B = 1,00 Wb/m2 ( o mesmo que, B = 1,00 tesla = 1,00 T). Reporte-se ilustrao acima. Determinar a lei de variao da fora eletromotriz induzida, em funo do tempo. Soluo: A velocidade angular do quadro : w = 2.p.f = 377 rd.s-1, aproximadamente. Aplicando a equao E = N.w.B.A.cos w.t resulta: E = 158.cos377.t sendo E em volts e t em segundos, tendo-se, portanto, Emx= 158 V. O valor nominal desta tenso, ou seja, o valor rms (Urms) igual ao valor mximo dividido por raiz quadrada de 2, ou, Urms= 0,7.Emx.= 110,6 V. Os aparelhos eletrodomsticos construdos para funcionarem sob tenso alternante rms de 117 V, 60 Hz, devem ser submetidos a uma tenso que obedece, aproximadamente, a lei supra.

Para intensificar o fenmeno, as espiras do rotor so dispostas sobre um ncleo de ferro, cujo efeito consiste em elevar o fluxo de induo concatenado com o quadro. Os terminais do quadro so soldados a anis coletores ; estes anis so metlicos, presos rigidamente ao eixo mas eletricamente isolados do mesmo; em cada anel apia-se uma escova, corpo slido e condutor (geralmente de grafite), comprimido elasticamente contra o anel, de modo a garantir bom contato eltrico do mesmo; as escovas esto presas a um suporte isolante; a elas liga-se a parte externa do circuito.

Aqui ilustramos as bases de um alternadores de pequeno porte. O estator constitudo por um m permanente e opera como indutor. O sistema conhecido como magneto', e (foi) usado para campainha de telefone, ou para ignio em pequenos motores de exploso (motocicletas). O estator poderia ser um eletrom (foto acima, direita: anel de Gramme) abastecido com corrente contnua de uma fonte adequada. Abaixo temos a foto de um alternador elementar/didtico onde o rotor um m permanente (cuja rotao gera a variao de fluxo) e o estator uma bobina (300 espiras de fio esmaltado #28 a #30) dotada de ncleo de ferro em U. A rotao do m permanente conseguida mediante um barbante que deve ser enrolado no eixo (entre as pernas do U de cobre, mancal do eixo) e a seguir puxado. A pequena lmpada de lanterna de 1,5 V vista nessa foto poder ser substituda por vrios LEDs (diodos emissores de luz).

Nos alternador de grande porte, o estator induzido (onde se recolhe a corrente alternante) e o rotor indutor (geralmente so eletroms alimentados por corrente contnua, por meio de anis coletores). Sistema AC - Gerador/Motor

Princpio de funcionamento dos dnamos Nos geradores tipo alternadores (como os ilustrados acima) um artifcio simples permite retificar a corrente, ou seja, fazer com que fluam sempre num mesmo sentido. Substituamos o par de anis coletores por um comutador (veja ilustrao

abaixo); um anel coletor dividido em dois segmentos simtricos e nos quais se apiam escovas em posies diametralmente opostas. As escovas so pequenos blocos de grafite e estacionrios, comprimidos elasticamente contra o comutador; este solidrio com o rotor e pode ser concebido como tubo de cobre secionado longitudinalmente. Nos instantes em que o fluxo de induo no rotor mximo ou mnimo a corrente induzida nula; nos mesmos instantes invertem-se as conexes das escovas com os segmentos do comutador pois so permutados os segmentos em contato com as escovas; portanto so invariveis a polaridade das escovas e o sentido da corrente no circuito externo (abaixo, em -b-, a corrente retificada). Tal corrente externa, cuja intensidade varia periodicamente mas cujo sentido se conserva, denominada corrente pulsante. Vista pelo 'dnamo' a corrente sempre alternante; vista pelo 'circuito exterior' a corrente sempre pulsante.

Dispondo sobre o mesmo ncleo diversos quadros iguais, distribudos simetricamente em torno do eixo e associados todos em srie, e dotando o comutador de outros tantos pares de segmentos, obtm-se no circuito externo uma corrente pulsante praticamente contnua.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_T02.asp

Dnamos e alternadores Michael Faraday descobriu que possvel produzir-se uma tenso eltrica toda vez que um condutor ou muitas voltas dele, constituindo uma bobina corta um campo magntico. Este o princpio de funcionamento dos geradores eletromecnicos. Observe na figura a seguir, como simples, pela tcnica descoberta por Faraday, produzir-se uma tenso eltrica e, com ela, manter uma corrente eltrica em um circuito.

Produzindo corrente eltrica com uma bobina fixa e um m mvel. Num quadro de papelo, enrolamos algumas dezenas de espiras de fio de cobre esmaltado, construindo uma bobina fixa. As extremidades dos fios dessa bobina foram ligadas a um galvanmetro elementar constitudo de umas 30 voltas de fio sobre a caixa de uma bssola. A seguir, movimentamos, para dentro e para fora, um m no interior da bobina. Pronto! s isso! Quando o m empurrado para dentro da bobina a agulha da bssola desloca-se num sentido (acusando a passagem de uma corrente eltrica devida ao efeito magntico das correntes) e quando tiramos o im de dentro da bobina a agulha desloca-se em sentido contrrio. O vai e vem do m, em relao bobina, produz uma corrente alternada que desloca a agulha da bssola ora para um lado ora para outro. O que descrevemos um gerador eletromecnico de tenso alternada ou um alternador.

O m mantido fixo e a bobina quem se move. No importa quem mvel, uma corrente alternada acusada pelo medidor. Dnamos (que fornecem corrente contnua) e alternadores (que fornecem corrente alternada) devem apresentam, sempre, uma parte mvel a bobina que gira dentro do m ou o m que gira dentro da bobina. De qualquer modo, algum deve gastar energia para manter esta parte mvel e, dependendo de quem esse algum, teremos vrios modos de se produzir energia eltrica.

Podemos usar da energia elica para fazer dnamos e alternadores funcionarem.

Podemos usar energia trmica para acionar os alternadores.

Podemos usar energia nuclear para obtermos a energia eltrica.

Podemos usar a energia mecnica dos fluxos de gua para conseguirmos a energia eltrica.

A gua faz girar a turbina, a qual faz girar a bobina do As usinas hidreltricas so as mais comuns alternador dentro de um campo para a obteno da energia eltrica. magntico

http://www.feiradeciencias.com.br/sala02/02_098.asp