Os geradores síncronos são usados em vários tipos de usinas para converter energia mecânica das turbinas em energia elétrica.
Princípio de funcionamento do alternador
Geradores síncronos também são chamados de alternadores. Em um gerador síncrono eletricamente excitado (EESG), o enrolamento do rotor é alimentado por uma fonte DC, gerando um campo magnético. Quando o rotor gira, uma tensão alternada senoidal é induzida em cada enrolamento do estator. Este é o princípio da indução eletromagnética, já foi explicado no post “Como funciona uma usina hidrelétrica?“.
O valor de tensão induzida E_{A} no enrolamento A do estator é:
E_{A}=V\cdot sin(\omega t)
Sendo que V é a tensão de amplitude, \omega é a velocidade angular e t é o tempo. Enquanto a tensão das fases B e C respectivamente são.
E_{B}=V\cdot sin(\omega t-120^{\circ})
E_{C}=V\cdot sin(\omega t+120^{\circ})
A fórmula da velocidade síncrona do campo magnético girante Ns em rpm (rotações por minuto), f é a frequência em Hz e P é o número de polos.
Ns=\frac{120f}{P}
A fórmula acima mostra uma relação entre número de polos e velocidade síncrona. Quanto menor a velocidade maior deve ser o número de polos.
Componentes
Entre o rotor e o estator, há um espaço chamado de entreferro. As aberturas são as ranhuras, onde ficam os fios.
Todos os enrolamentos do alternador devem ter um núcleo feito de chapas de aço-silício separadas por películas isolantes. O material é para aumentar a intensidade do fluxo magnético e este é laminado para reduzir perdas por correntes parasitas. Ao redor dos núcleos, são enrolados fios feitos de cobre formando os enrolamentos. Os fios do estator são ligados em estrela ou delta. Essas ligações serão explicadas em um futuro post.
O EESG tem anéis de deslizamento (slip rings), onde o rotor recebe a tensão DC através das escovas de grafite.
Alguns geradores síncronos possuem ímãs permanentes no rotor, feitos de ligas de neodímio em vez de enrolamentos. São usados para gerar energia em turbinas eólicas.
Para evitar sobreaquecimento, a carcaça do gerador tem aberturas para a circulação de ar e um ventilador é ligado ao eixo para resfriamento.
Regulador automático de tensão
Com a variação de carga, a tensão de saída muda, esta deve ficar dentro de uma faixa. Um circuito eletrônico chamado regulador automático de tensão controla a corrente de campo no rotor, para controlar o campo magnético girante.
Rotor
O rotor para geradores síncronos pode ser de dois tipos. Os círculos laranjas são onde se posicionam os fios de cobre.
Os geradores síncronos de polos salientes têm elevado número de polos, são usado para aplicações com baixa velocidade. Possuem grande circunferência e comprimento menor. As máquinas com rotor cilíndrico apresentam poucos polos, portanto é para altas velocidades. Têm comprimento grande e diâmetro pequeno em comparação com o de polos salientes.
No próximo post da área de energia, mostrarei os modos de alimentar os fios do rotor.
