MOTORES E GERADORES ________________________________________
PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO, INSTALAO, OPERAO E MANUTENO DE GRUPOS
DIESEL GERADORES ________________________________________
5 ALTERNADOR Denominamos alternador ao gerador de corrente
alternada, assim como denominamos dnamo ao gerador de corrente
contnua. Os geradores so mquinas destinadas a converter energia
mecnica em energia eltrica. A transformao de energia nos geradores
fundamen ta-se no princpio fsico conhecido como Lei de Lenz. Esta
lei afirma que quando exis te induo magntica, a direo da fora
eletromotriz induzida tal, que o campo magntic a resultante tende a
parar o movimento que produz a fora eletromotriz. Os alternadores
pertencem a categoria das mquinas sncronas, isto , mquinas cuja
rotao diretamente relacionada ao nmero de plos magnticos e a
freqncia da fora eletromotriz. No h, basicamente, diferenas
construtivas entre um alternador e um motor sncrono, po dendo um
substituir o outro sem prejuzo de desempenho. Assim, um alternador
quand o tem seu eixo acionado por um motor, produz energia eltrica
nos terminais e, ao contrrio, recebendo energia eltrica nos seus
terminais, produz energia mecnica na p onta do eixo, com o mesmo
rendimento. A induo magntica ocorre sempre que h movimento relativo
entre um condutor e um campo magntico. Um gerador elementar seria
aquele constitudo por uma bobina que gira en tre os plos de um m,
como na figura: GERADOR ELEMENTAR Uma espira de fio girando em um
campo magntico forma um gerador elementar, que ligado ao circuito
externo por meio dos anis coletores.
SADA DO GERADOR ELEMENTAR A fora eletromotriz e a corrente de um
gerador elementar mudam de direo cada vez que a espira gira 180. A
tenso de sada deste gerador alter ada. um ALTERNADOR.
O campo magntico da figura acima constitudo por ms naturais.
Para que seja possvel c ntrolar tenso e corrente em um alternador,
o campo magntico produzido por ms artific iais, formados por
bobinas alimentadas com corrente contnua suprida por uma fonte
externa e controlada por um regulador de tenso.
Com muitas espiras, um campo magntico controlado por meio de um
dispositivo de ex citao com corrente contnua, montados em arranjo
conveniente, fabrica-se os alternad ores comerciais utilizados nos
grupos geradores, bem como os grandes alternador es das usinas
hidroeltricas. Na figura, vista explodida de um alternador produzid
o pela WEG.
Estator e tampa com bobinas de campo da excitariz. Rotor com
ventilador , i nduzido da excitatriz e ponte retificadora na
extremidade do eixo
Mecanicamente, o alternador constitudo por duas partes
principais: uma fixa, que a carcaa, onde se encontram os ps de
fixao, e a outra mvel (girante). A parte fixa ch amamos estator e a
parte mvel chamamos rotor. Eletricamente, tambm, so duas partes
principais. Uma delas responsvel pelo campo ma gntico, onde esto
localizados os plos do alternador, que chamamos de campo (ou indu
tor). A outra parte onde aparece a fora eletromotriz, a qual
chamamos de induzido . O posicionamento do campo e do induzido do
origem a dois tipos de mquinas diferent es. Quando o campo est
localizado no estator, temos o que chamamos de mquina de plo s
fixos (ou de plos externos) e, ao contrrio, quando o campo se
encontra no rotor, temos o que chamamos de mquina de plos girantes
(ou de plos internos). As mquinas d e plos fixos so pouco
utilizadas devido ao inconveniente da necessidade de escovas para
retirar a energia gerada. As mquinas de plos girantes so as mais
utilizados p or permitirem a retirada da energia diretamente dos
terminais das bobinas. Segundo o tipo de aplicao, os alternadores
so construdos com caractersticas especiais para atender os diversos
segmentos a que se destinam, com diferenas de forma con strutiva,
isolao, refrigerao, acabamento e caractersticas eltricas conforme
abaixo:
5.1 - APLICAES Alternadores Industriais: So os chamados de
mquinas de linha, destinados a atender a maioria dos consumidores
normais. Alternadores Navais: So mquinas construdas para uso naval,
com todos os componentes projetados e tratados para resistir
corroso marinha. Alternadores Marinizados: basicamente so
alternadores industriais destinados a s ervio em reas agressivas,
recebendo ento um tratamento especial em alguns component es.
Alternadores para Telecomunicaes: So mquinas especiais, com
caractersticas determinad as para no causar interferncia nas
telecomunicaes e tambm para atender ao tipo de ca rga, que bastante
severa. Em geral, os alternadores destinados a atender equipam
entos de telecomunicaes alimentam retificadores de alta capacidade
que produzem de formaes da forma de onda da tenso gerada, o que
levado em considerao no projeto e na construo do alternador
especial. Alternadores a prova de exploso: Destinam-se ao servio em
reas saturadas, principal mente petrolferas e qumicas, onde h risco
de materiais inflamveis, sendo totalmente blindados para impedir
que qualquer centelhamento entre em contato com a atmosfe ra
ambiente, tendo por isso um sistema de refrigerao especial, tipo
trocador de ca lor, de modo que o ar existente no interior da
mquina no transmitido ao exterior.
5.2 NUMERO DE FASES Pode-se ainda distinguir os alternadores
segundo o numero de fases, que, no caso presente, so: Alternadores
monofsicos: So aqueles que possuem as bobinas do enrolamento
induzido de tal forma que a tenso de sada obtida em dois pontos
terminais. Alternadores trifsicos: Possuem trs grupos independentes
de bobinas, montadas defa sadas em 120 entre si, sendo ligadas de
tal maneira que podemos ter trs ou quatro pontos de ligao para os
consumidores. Em geral, cada grupo independente de bobinas tem duas
bobinas separadas, para permitir que, com o fechamento das ligaes
extern as, se obtenha valores diferentes de tenso, como veremos
adiante. O tipo de fecha mento normalmente utilizado o estrela com
neutro acessvel, onde existe um ponto de ligao para cada fase mais
um ponto denominado neutro, que constitudo pelo fechamento das
extremidades das bobinas. A tenso entre os trs pontos terminais de
cada fase s empre a mesma, que deve corresponder ao tipo de
fechamento escolhido. A tenso med ida entre cada fase e o neutro
menor, sendo, numericamente, igual ao valor da te nso entre fases
dividida pela raiz quadrada de 3. O neutro para ser ligado ao ate
rramento da instalao eltrica local. No sistema trifsico ligado a
carga equilibrada no deve haver circulao de corrente pe lo condutor
neutro, o que na prtica resulta muito difcil, razo pela qual, os
altern adores chamados industriais so construdos para suportar um
desequilbrio de carga en tre fases mximo de 15%, valor que no deve
ser excedido, pois alm de provocar funcio namento irregular e
diferenas de tenso entre fases, pode danificar o alternador.
5.3 LIMITAES O que limita a potncia do alternador a temperatura
alcanada pelo enrolamento do in duzido. Por isso, so mquinas que
sofrem perdas por aquecimento, que pode resultar da temperatura
ambiente ou da altitude. Os alternadores de linha normal de produo
so fabricados para operar com temperatura ambiente mxima de 40C e
altitude de 1.000 m acima do nvel do mar. Para servio em condies
mais adversas, necessrio corrigir pa a menos a potncia do
alternador. 5.4. CONCEITOS BSICOS SOBRE CORRENTE ALTERNADA
Como visto no gerador elementar, diz-se que a corrente alternada
quando muda de valor ao longo do tempo em funo da posio das espiras
em relao ao campo magntico. Fis mente, essas mudanas de valores
instantneos ocorrem segundo leis matematicamente d efinidas como
veremos em seguida. Um alternador produz corrente eltrica cujos
valores instantneos obedecem a uma for ma senoidal de onda
determinada pelas seguintes equaes: Corrente: i = Ip sen(t) Tenso:
v = Vp sen( t + ) e a potncia instantnea p = v i O ngulo de ase
varia em uno dos consumidores alimentados pelo alternador. , p
anto, uma caracterstica das cargas e seus valores se revestem de
grande importncia no dimensionamento dos componentes dos circuitos
alimentados, bem como sua corr eo pode se tornar necessria, para
evitar cobrana adicional pela concessionria de ener gia, quando se
veri ica valores de cos abaixo do limite contratual. Nas iguras a
seguir, uma viso dos valores instantneos.
Legenda: v i Vp Ip
= tenso instantnea = corrente instantnea = tenso de pico =
corrente de pico
= Freqncia = = reqncia angular (= 2 Tempo
t
= ngulo de ase
)
T
=
perodo (= 2
/ = 1 /
Potncia Instantnea: p = v i
Quando a corrente percorre um circuito de resistncia pura, a
corrente se mantm em ase com a tenso e o ngulo de ase zero ( = 0).
Todos os valores de potncia so posit vos (p > 0). Quando a
corrente percorre um circuito com carga indutiva ou capacitiva, h
uma d e asagem da corrente em relao tenso e ( > 0). Neste caso,
surge potncia instantnea ativa. Quanto maior o ngulo de ase, maior
o valor negativo instantneo.
Para o valor do ngulo de ase igual a 90, as somas das potncias
instantneas se anula m e a potncia mdia zero. Embora com os mesmos
valores de tenso e corrente circuland o, no h utilizao de
energia.
Tenso tri sica. No mesmo perodo, os valores de tenso variam de
asados de 60 nas ases R, S e T (ou U, V e W).
Valor e icaz: o valor da potncia mdia, equivalente ao valor de
corrente contnua que aplicada ao c ircuito, produz a mesma
quantidade de calor. Sendo R a resistncia do circuito, ca lculado
pela rmula P = (1/T) 0,T i2 R dt, que uma vez resolvida, d os
resultados: e que so conhecidos como valores RMS (de Root Mean
Square). Os valores RMS so os que so lidos nos instrumentos de
medio. (Note que tais instrumentos indicam va lores RMS de
grandezas que se comportam de orma senoidal ao longo do tempo. Par
a medio de grandezas com outras ormas de onda, so necessrios
instrumentos TRUE RMS) . 5.4.1 TENSO, POTNCIA E FREQNCIA NO
ALTERNADOR Nos sistemas tri sicos, a tenso entre ases determinada
pelas ligaes de echamento q ue orem executadas. Normalmente os
alternadores so ornecidos com 12 terminais d e bobinas do induzido
para serem ligados de orma a gerar tenso em 220/127 V, 380 /220 V
ou 440/254 V. A tenso entre ase e neutro o quociente da diviso da
tenso en tre ases pela raiz quadrada de 3. Os di erentes valores
possveis de tenso so o res ultado do arranjo das bobinas, que so
construdas em grupos, resultando para cada ase um conjunto de 2
bobinas que podem ser ligadas como se v nas iguras seguinte s:
Observar que a numerao das extremidades das bobinas se az em
espiral, de ora par a dentro, em sentido horrio, de orma que os
nmeros 1 e 4, assim como 2 e 5 so extr
)
emidades da mesma bobina. O arranjo da numerao na caixa de
terminais que utiliza b arras de ligao eito iniciando pelo nmero 11
no canto superior esquerdo, terminando com o nmero 3, no canto in
erior direito. Em geral, h outros terminais na caixa, para ligao
dos circuitos de excitao. Existem alternadores que apresentam 10
pontas ao invs de 12. Neste caso, os pontos 10, 11 e 12 j esto
echados internamente e o a lternador no permite a ligao 380/220 V.
Se or necessrio utilizar 380/220 V, duas so lues podem ser
adotadas: a) utilizar o echamento de 440/220 V e regular a tenso pa
ra 380 V no regulador de tenso ou b) abrir a ligao interna das
pontas 10, 11 e 12 e alterar o echamento para o esquema acima. Na
maioria dos casos de mudana de ten so, necessrio substituir o
voltmetro do quadro de comando, caso este no seja multite nso. As
ligaes do reqencmetro e do regulador de tenso podem ser remanejadas
para pon os onde exista a tenso compatvel, con orme o caso. 5.4.2
POTNCIA DO ALTERNADOR Vimos no captulo 4 que a potncia do
alternador de inida em KVA (potncia aparente) e que a potncia ativa
de inida em kW, sendo o ator de potncia (cos ) a relao entre a
potncias ativa e aparente e que kW = cos . KVA. Vimos ainda que
existe a potncia r eativa, que surge nos circuitos eltricos com
cargas indutivas, especialmente moto res eltricos. Na realidade, a
potncia aparente (KVA) a soma vetorial das potncias ativa (kW) e r
eativa (KVAr). No tringulo de potncias abaixo, pode-se visualizar
as relaes que exis tem entre as trs potncias:
Das relaes geomtricas do tringulo retngulo, sabemos que: (KVA) =
(kW) + (KVAr) e que cos = (kW) (KVA). cil perceber que, mantendo-se
constante o valor de (kW), quant o maior or o valor de (KVAr),
menor ser cos e maior ser (KVA). Por isso o ator de potncia
universalmente denominado cos . Se estabelecssemos uma comparao com
um copo de chope, teramos algo semelhante igura:
A potncia ativa (kW), a exemplo do que oi visto no captulo sobre
partida de motor es eltricos, calculada, para circuitos tri sicos
com cargas equilibradas, conhecid os os valores de tenso (E),
corrente (I) e ator de potncia (cos ), pela relao:
5.4.2.1 - RENDIMENTO MECNICO DO ALTERNADOR O Rendimento do
Alternador de inido em termos percentuais pela relao entre a potnci
a eltrica por ele ornecida aos consumidores e a potncia mecnica
absorvida do motor acionador. sempre menor que 1. O rendimento do
alternador (h) no constante e se aproxima do seu valor mximo com a
carga entre 80 e 100% da potncia mxima. Alternadores pequenos tem
rendimento mais baixo do que os alternadores maiores (at 0,93 acima
de 250 KVA). Deve ser in orm ado pelo abricante para clculos mais
seguros. Quando se tratar de clculos estimat ivos, pode ser tomado
igual 90% (ou 0,9), que o valor adotado pelos montadores d e grupos
geradores, em geral. 5.4.3 FREQNCIA
Como dissemos anteriormente, o alternador uma mquina sncrona e
que sua velocidad e de rotao e reqncia esto relacionadas com o
nmero de plos. Sendo = reqncia ( N = velocidade de rotao (em rpm) e
Np = nmero de plos, temos que: Assim, um alternador de 60 Hz que
trabalha a 1800 rpm, tem: 60 = (1.800 x Np) 120 Np = 4 plos.
Analogamente, um alternador de 6 plos, para ger ar tenso em 60 Hz,
precisa girar a: 60 = (N x 6) 120 N = 1.200 rpm. Um alternad or
especial para aeroportos, que necessita gerar tenso na reqncia de
400 Hz traba
lhando a 2000 rpm, necessita de: 400 = (2000 x Np) 120 Np = 24
plos.
5.5 EXCITAO Como visto anteriormente, para induzir a ora
eletromotriz necessitamos de um cir cuito magntico o campo do
alternador. Em mquinas de pequeno porte podemos ormar o campo por
meio de ms permanentes naturais, mas normalmente isto eito por
meios e letromagnticos, ao alimentar as bobinas que constituem os
plos, com corrente contnu a. Isto se denomina excitar a mquina, por
meio de uma onte de corrente contnua de nominada excitatriz. Para
manter constante a tenso de sada do alternador, necessrio regular o
sistema de excitao, pois a intensidade do campo magntico quem
determina este valor. Portanto, necessitamos de um regulador de
tenso, que o elemento capaz de sentir as variaes de tenso de sada
do alternador e atuar diretamente na excitatriz para que esta
aument e ou diminua o luxo de corrente no campo magntico, mantendo
constante a tenso par a qualquer solicitao de carga. Quanto orma
construtiva, duas so as con iguraes bsicas para o sistema de
excitao d lternador; EXCITAO DINMICA e EXCITAO ESTTICA. O primeiro,
denominado excitao dinmi tado no prprio eixo do alternador. O
segundo, denominado excitao esttica, constitudo por um reti icador
de corrente que utiliza a prpria energia gerada pelo alternado r
para alimentar o campo com corrente reti icada. Um circuito
eletrnico acoplado ao reti icador az a uno de regulador de tenso,
abrindo ou echando o gate de um tir istor. No sistema de excitao
esttica, a corrente que alimenta o campo do alternador reti i cada
e controlada por uma excitatriz eletrnica. A conduo da corrente se
az por mei o de um par de anis com escovas montado no eixo do
alternador. Como utiliza a ten so gerada pelo alternador, necessita
de um mnimo de tenso inicial, gerada pelo magn etismo remanente do
alternador durante a partida, para iniciar o processo de ret i icao
e alimentao do campo. Este processo de incio de gerao denominado
escorva do rnador.
O sistema de excitao esttica tem resposta de regulao mais rpida
do que o sistema de e citao dinmica, uma vez que o regulador atua
diretamente no campo do alternador, o q ue lhe proporciona maior
capacidade de partir motores eltricos de induo. Entretanto , como o
luxo de corrente controlado por pulsos dos tiristores, introduz de
or maes na orma de onda da tenso gerada, o que o torna
contra-indicado para alternado res que alimentam equipamentos
sensveis. No sistema de excitao dinmica utiliza-se um gerador de
corrente contnua, montado no prprio eixo do alternador. O campo
deste gerador alimentado por um regulador exte rno que,
modernamente, eletrnico semelhante ao empregado na excitao esttica.
Nos alt ernadores antigos este gerador de corrente contnua era um
dnamo, com escovas e col etor de lminas de cobre. Atualmente
utiliza-se um pequeno alternador de plos ixos , cuja corrente
alternada gerada no induzido rotativo reti icada por uma ponte r
eti icadora de onda completa, tambm girante, que trans ere a
corrente reti icada diretamente ao campo do alternador, sem a
necessidade de escovas. Este sistema d enominado Brushless e
largamente utilizado. Sistema de excitao por magneto (ou im)
permanente, tambm conhecido por excitao PMG, breviatura da
denominao em ingls de Permanent Magnet Generator. Trata-se de um
sist ema de excitao onde uma excitatriz auxiliar, constituda por um
campo magntico consta nte produzido por uma pea magnetizada antes
da montagem, a qual unciona como ind utor girando no interior de um
enrolamento ixo, este trabalhando como induzido. Esquematicamente,
tal sistema pode-se representar da seguinte orma: Neste tipo de
alternador, a energia ornecida ao campo da excitatriz (campo ixo )
proveniente do PMG e independe da energia ornecida carga.
Constitui-se, porta
nto, num sistema de excitao independente. Os valores de tenso
nos terminais do alte rnador que alimentam a carga, so usados
apenas como re erncia, opcionalmente atravs de um trans ormador de
potencial, podendo ser monitorados em duas ou trs ases, tambm
opcionalmente, em uno do projeto adotado pelo abricante. O
regulador automtico de tenso (identi icado acima como AVR
abreviatura de Automat ic Voltage Regulator) di ere do regulador de
tenso utilizado num alternador conve ncional, auto-excitado, na
medida em que no supre o campo da excitatriz com a me sma energia
que alimenta os consumidores. Isto particularmente vantajoso nas
apl icaes onde o alternador aciona grandes motores eltricos porque
possibilita a manute no de valores elevados de corrente durante a
partida destes motores, sem as grande s quedas de tenso que se veri
icam nos alternadores que no utilizam excitao independ ente. Tambm
o erecem melhor desempenho do alternador quando alimentando cargas
no lineares, tais como motores de corrente contnua alimentados por
tiristores, motor es de corrente alternada com chaves de partida So
t Start ou sistemas UPS (Uninter ruptible Po er Supply) tambm
conhecidos como No Breaks estticos. a opo desejvel p odos os casos
onde se requer melhor qualidade da energia gerada. O regulador de
tenso (AVR) compara a tenso de sada do alternador com o padro
ajustad o no potencimetro de ajuste de tenso e e etua as correes
atuando no campo da excitat riz.
