Geradores

Geradores são dispositivos que convertem outras formas de energia em energia elétrica. Em 1832, o francês Bixi inventou o gerador.

Um gerador é composto por um rotor e um estator. O rotor está localizado na cavidade central do estator. Ele possui polos magnéticos no rotor para gerar um campo magnético. À medida que o motor primário aciona o rotor para girar, a energia mecânica é transferida. Os polos magnéticos do rotor giram em alta velocidade junto com o rotor, fazendo com que o campo magnético interaja com o enrolamento do estator. Essa interação faz com que o campo magnético atravesse os condutores do enrolamento do estator, gerando uma força eletromotriz induzida e, assim, convertendo energia mecânica em energia elétrica. Os geradores são divididos em geradores CC e geradores CA, amplamente utilizados na produção industrial e agrícola, defesa nacional, ciência e tecnologia e na vida cotidiana.

Parâmetros estruturais

Os geradores geralmente consistem em um estator, rotor, tampas e rolamentos.

O estator consiste em um núcleo de estator, enrolamentos de fio, uma estrutura e outras peças estruturais que fixam essas peças.

O rotor é composto pelo núcleo do rotor (ou polo magnético, indutor magnético), enrolamento, anel de proteção, anel central, anel deslizante, ventilador e eixo do rotor e outros componentes.

O estator e o rotor do gerador são conectados e montados pelos rolamentos e tampas de extremidade, de modo que o rotor possa girar no estator e fazer o movimento de cortar as linhas de força magnéticas, gerando assim o potencial elétrico induzido, que é conduzido através dos terminais e conectado ao circuito, e então a corrente elétrica é gerada.

Características funcionais

O desempenho do gerador síncrono é caracterizado principalmente pelas características de operação com e sem carga. Essas características são bases importantes para os usuários selecionarem geradores.

Caracterização sem carga:Quando um gerador opera sem carga, a corrente de armadura é zero, uma condição conhecida como operação em circuito aberto. Nesse momento, o enrolamento trifásico do estator do motor possui apenas a força eletromotriz em vazio E0 (simetria trifásica) induzida pela corrente de excitação If, e sua magnitude aumenta com o aumento de If. No entanto, as duas não são proporcionais, pois o núcleo do circuito magnético do motor está saturado. A curva que reflete a relação entre a força eletromotriz em vazio E0 e a corrente de excitação If é chamada de característica em vazio do gerador síncrono.

Reação da armadura:Quando um gerador é conectado a uma carga simétrica, a corrente trifásica no enrolamento da armadura gera outro campo magnético rotativo, denominado campo de reação da armadura. Sua velocidade é igual à do rotor, e os dois giram sincronizadamente.

Tanto o campo reativo da armadura quanto o campo de excitação do rotor de geradores síncronos podem ser aproximados como distribuídos de acordo com uma lei senoidal. Sua diferença de fase espacial depende da diferença de fase temporal entre a força eletromotriz em vazio E0 e a corrente de armadura I. Além disso, o campo de reação da armadura também está relacionado às condições de carga. Quando a carga do gerador é indutiva, o campo de reação da armadura tem um efeito desmagnetizante, levando a uma diminuição na tensão do gerador. Por outro lado, quando a carga é capacitiva, o campo de reação da armadura tem um efeito magnetizante, o que aumenta a tensão de saída do gerador.

Características da operação de carga:Refere-se principalmente às características externas e de ajuste. A característica externa descreve a relação entre a tensão terminal U do gerador e a corrente de carga I, considerando velocidade nominal, corrente de excitação e fator de potência de carga constantes. A característica de ajuste descreve a relação entre a corrente de excitação If e a corrente de carga I, considerando velocidade nominal, tensão terminal e fator de potência de carga constantes.

A taxa de variação de tensão dos geradores síncronos é de aproximadamente 20-40%. Cargas industriais e residenciais típicas requerem uma tensão relativamente constante. Portanto, a corrente de excitação deve ser ajustada conforme a corrente de carga aumenta. Embora a tendência de variação da característica de regulação seja oposta à característica externa, ela aumenta para cargas indutivas e puramente resistivas, enquanto geralmente diminui para cargas capacitivas.

Princípio de funcionamento

Gerador a diesel

Um motor a diesel aciona um gerador, convertendo a energia do óleo diesel em energia elétrica. Dentro do cilindro de um motor a diesel, o ar limpo, filtrado pelo filtro de ar, mistura-se completamente com o óleo diesel atomizado de alta pressão injetado pelo injetor de combustível. À medida que o pistão se move para cima, comprimindo a mistura, seu volume diminui e a temperatura aumenta rapidamente até atingir o ponto de ignição do óleo diesel. Isso inflama o óleo diesel, causando a combustão violenta da mistura. A rápida expansão dos gases força o pistão para baixo, um processo conhecido como "trabalho".

Gerador a gasolina

Um motor a gasolina aciona um gerador, convertendo a energia química da gasolina em energia elétrica. Dentro do cilindro de um motor a gasolina, uma mistura de combustível e ar sofre combustão rápida, resultando em uma rápida expansão de volume que força o pistão para baixo, realizando trabalho.

Tanto em geradores a diesel quanto a gasolina, cada cilindro opera sequencialmente em uma ordem específica. A força exercida sobre o pistão é transformada pela biela em força rotacional, que aciona o virabrequim. Um gerador CA síncrono sem escovas, montado coaxialmente com o virabrequim do motor de potência, permite que a rotação do motor acione o rotor do gerador. Com base no princípio da indução eletromagnética, o gerador produz então uma força eletromotriz induzida, gerando corrente através de um circuito de carga fechado.