Geradores de Energia Elétrica

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Geradores de Energia Elétrica
(Conceitos básicos)
Prof. Luiz Ferraz Netto
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Geradores Mecânicos de Energia Elétrica
Todo dispositivo cuja finalidade é produzir energia elétrica à custa de energia mecânica
constitui uma máquina geradora de energia elétrica (diz-se também, impropriamente,
máquina geradora de eletricidade --- eletricidade não é uma grandeza física, é um ramo da
Física).
O funcionamento dessas máquinas se baseia ou em fenômenos eletrostáticos (como no
caso do gerador Van de Graaff), ou na indução eletromagnética (como no caso do disco de
Faraday). Nas aplicações industriais a energia elétrica provém quase exclusivamente de
geradores mecânicos cujo princípio é o fenômeno da indução eletromagnética (e dos quais
o disco de Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente
alternante são também denominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente
contínua são também denominados dínamos. Vale, desde já, notar que: "dínamo" de
bicicleta não é dínamo e sim 'alternador'.
Numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes,
a saber: o estator, conjunto de órgãos ligados rigidamente à carcaça e o rotor, sistema
rígido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob ponto dê
vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que
engendra a corrente induzida.
No dínamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternador dá-se geralmente o
contrario.
A corrente induzida produz campo magnético que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce
forças contrárias à rotação do rotor; por isso em dínamos e alternadores, o rotor precisa ser
acionado mecanicamente. O mesmo concluímos do Princípio de Conservação da Energia:
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a energia elétrica extraída da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por
suprimento de energia mecânica.
Princípio 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 ignição
de motores de explosão para motonetas). Acompanhemos pela ilustração:
Diante de uma bobina fixa B (induzido) põe-se a girar um ímã SN (indutor), como ilustrado
acima. O ímã mantém um campo do qual o fluxo concatenado com a bobina varia
periodicamente, com a mesma freqüência de revolução do ímã. Se a rotação do ímã for
lenta, um galvanômetro sensível G indica aproximadamente a corrente instantânea no
decurso do tempo; se a rotação for rápida, é necessário um osciloscópio.
Na ilustração abaixo representamos fases consecutivas do fenômeno.
Convenção:
Corrente positiva, vetor unitário,
fluxo positivo.
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Nessa seqüência de ilustrações acima apresentamos as fases mais representativas no
funcionamento de um alternador. É a variação de fluxo que induz corrente. O fluxo varia
enquanto aumenta ou diminui. Quando o fluxo é máximo, ele não varia; a FEM induzida é
nula; a corrente é nula e muda de sentido. O campo magnético produzido pela corrente
induzida exerce no ímã forças contrarias à sua rotação.
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A FEM induzida não é senoidal mas segue, grosso modo, o gráfico posto acima, onde
ilustramos no mesmo par de eixos, o fluxo de indução e a corrente induzida em um
alternador, em um período (T).
Enquanto o fluxo de indução diminui, a corrente é positiva; quando o fluxo aumenta, a
corrente é negativa, segundo a convenção apresentada. Fluxo máximo ou mínimo
corresponde a corrente induzida nula. O fluxo de indução varia mais acentuadamente
quando próximo de ZERO; então a corrente tem intensidade má xima (com sinal + ou -).
Mais perfeito é o sistema que examinaremos em seguida. Consideremos um a espira plana
de forma qualquer, abrangendo uma área A; seja  uma reta no plano desta espira.
Introduzamos a espira em um campo de indução B uniforme, dispondo a reta 
perpendicularmente ao campo B. Façamos a espira girar em torno da reta  como eixo,
com velocidade angular  constante. Determinemos a força eletromotriz induzida na espira
girante.
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Adotemos como origem dos tempos um dos instantes em que a normal n à espira forma
com o campo de indução B ângulo igual a um reto, passando de agudo para obtuso.
Com a notação da ilustração acima, o fluxo de indução na espira em qualquer instante é
dado por:
 = B.A.cos(.t + /2) = - B.A.sen .t
Sendo E = - d/dt, vem:
E = .B.A.cos .t
Se a espira for substituída por uma bobina de N espiras, a força eletromotriz induzida é:
E = N..B.A.cos .t
Como vemos, esta força eletromotriz induzida obedece a uma lei harmônica cuja amplitude
é:
Emáx.= N..B.A
Em função do tempo, a força eletromotriz induzida tem a representação cartesiana dada na
ilustração acima (figura da direita). A mudança de sinal da força eletromotriz significa
fisicamente que ela muda de polaridade, impulsionando uma corrente elétrica ora em um
sentido, ora em sentido oposto.
Uma força eletromotriz que muda de polaridade periodicamente é designada como força
eletromotriz alternante; no caso presente, trata-se de uma força eletromotriz alternante
harmônica.
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A força eletromotriz que impele a corrente em nossas instalações elétricas domiciliares é do
tipo alternante harmônica; em São Paulo, a força eletromotriz eficaz é igual a 110 volts
(oportunamente daremos detalhes disso).
Um exemplo numérico virá bem a calhar: Uma leve moldura de fibra, retangular, de área A
= 0,0100 m2 funciona como carretel onde se enrolam N = 42 espiras de fio de cobre
esmaltado. Esse quadro é posto a girar com freqüência f = 60 Hz (r.p.s.) em um campo de
indução uniforme de intensidade E = 1,00 Wb/m 2 (ou, o mesmo que, 1,00 tesla). Reporte-se
à ilustração acima.
Determinar a lei de variação da força eletromotriz induzida, em função do tempo.
Solução: A velocidade angular do quadro é:  = 2..f = 377 rd.s-1, aproximadamente.
Aplicando a equação E = .B.A.cos .t resulta: E = 158.cos377.t sendo E em volts e t
em segundos.
Os aparelhos eletrodomésticos construídos para funcionarem sob tensão alternante de 110
V, 60 Hz, devem ser submetidos a uma tensão que obedece, aproximadamente, a lei supra.
Para intensificar o fenômeno, as espiras do rotor são dispostas sobre um núcleo de ferro,
cujo efeito consiste em elevar o fluxo de indução concatenado com o quadro.
Os terminais do quadro são soldados a “anéis coletores” ; estes anéis são metálicos,
presos rigidamente ao eixo mas eletricamente isolados do mesmo; em cada anel apóia-se
uma “escova”, corpo sólido e condutor (geralmente de grafite), comprimido elasticamente
contra o anel, de modo a garantir bom contato elétrico do mesmo; as escovas estão presas
a um suporte isolante; a elas liga-se a parte externa do circuito.
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Aqui ilustramos as bases de um alternadores de pequeno porte. O estator é constituído por
um ímã permanente e opera como indutor. O sistema é conhecido como ‘magneto', e é
usado para campainha de telefone, ou para ignição em pequenos motores de explosão
(motocicletas). O estator poderia ser um eletroímã (foto acima, direita: anel de Gramme)
abastecido com corrente contínua de uma fonte adequada.
Abaixo temos a foto (colhida em www.scite.pro.br - mvc027f.jpg) de um alternador
elementar/didático onde o rotor é um ímã permanente (cuja rotação gera a variação de
fluxo) e o estator é uma bobina dotada de núcleo de ferro em U. A rotação do ímã
permanente é 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 lâmpada de lanterna
de 1,5 V vista nessa foto poderá ser substituída por um LED (diodo emissor de luz).
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Nos alternador de grande porte, o estator é induzido (onde se recolhe a corrente alternante)
e o rotor é indutor (geralmente são eletroímãs alimentados por corrente contínua, por meio
de anéis coletores).
Sistema AC - Gerador/Motor
Princípio de funcionamento dos dínamos
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Nos geradores tipo alternadores (como os ilustrados acima) um artifício simples permite
retificar a corrente, ou seja, fazer com que fluam sempre num mesmo sentido.
Substituamos o par de anéis coletores por um comutador (veja ilustração abaixo); é um
anel coletor dividido em dois segmentos simétricos e nos quais se apóiam escovas em
posições diametralmente opostas. As escovas são pequenos blocos de grafite e
estacionários, comprimidos elasticamente contra o comutador; este é solidário com o rotor
e pode ser concebido como tubo de cobre secionado longitudinalmente.
Nos instantes em que o fluxo de indução no rotor é máximo ou mínimo a corrente induzida
é nula; nos mesmos instantes invertem-se as conexões das es covas com os segmentos do
comutador pois são permutados os segmentos em contato com as escovas; portanto são
invariáveis a polaridade das escovas e o sentido da corrente no circuito externo (abaixo, em
-b-, a corrente retificada). Tal corrente, cuja intensidade varia periodicamente mas cujo
sentido se conserva, é denominada corrente pulsante.
Dispondo sobre o mesmo núcleo diversos quadros iguais, distribuídos simetricamente em
torno do eixo e associados todos em série, e dotando o comutador de outros tantos pares
de segmentos, obtém-se no circuito externo uma corrente pulsante praticamente contínua.
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