O Alternador - ou Gerador elétrico - é nada mais é que um conversor de energia cinética (movimento) em energia elétrica, assim como uma célula fotovoltaica converte energia luminosa em energia elétrica, ou então um termopar, que converte energia térmica em energia elétrica!
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o efeito Seebeck-Peltier e a geração de eletricidade a partir do calor, CLIQUE AQUI!
Desde uma simples bicicleta, onde um Alternador tem a finalidade de converter pedaladas em energia elétrica para acender as luzes da bike;
num automóvel, onde o alternador é conectado ao gerador térmico e tem a função de 'recarregar' a bateria e manter o sistema elétrico do carro alimentado;
num VE (veículo elétrico), onde durante a frenagem o sistema de freios comum (conversor de movimento em calor através do atrito) compartilha espaço com o freio regenerativo, sendo nada mais que o próprio motor elétrico funcionando como alternador (sim, estamos falando de um sistema 'híbrido' Moto-Alternador);
e até em uma UHE (usina hidroelétrica), onde uma turbina é acionada pelo movimento da água e gira o rotor de um Alternador, fornecendo energia para o nosso dia-a-dia.
Com base no que temos em mãos, isto é, Alternadores automotivos e um pouco de teoria geral sobre o tema, neste artigo veremos um resumo sobre o funcionamento, os tipos e várias outras coisas sobre este tipo de gerador de eletricidade!
O enrolamento da armadura, que é o enrolamento onde a tensão elétrica será induzida, pode estar tanto no rotor quanto no estator, algo diferente dos dínamos, onde apenas o estator detém esta característica. No caso dos alternadores, a configuração mais comum é a armadura estacionária e o campo rotativo, ou seja, a armadura é o estator (que fica fixo á carcaça) e o campo rotativo fica no rotor (que gira), como podemos ver no desenho abaixo:
Imagem 1 - Armadura estacionária e campo rotativo
Este tipo de alternador é o utilizado em automóveis.
Se a excitação do campo for ligada ao rotor, as espiras do estator terão uma corrente alternada induzida passando por elas (Imagem 1). Pode-se ligar uma carga através dessas bobinas da armadura estacionária sem ser necessário nenhum contato móvel no circuito (anel coletor e escova). A corrente de excitação é fornecida ao campo rotativo através dos anéis coletores e das escovas. Uma outra vantagem do gerador C.A. de armadura estacionária e campo rotativo está na grande facilidade de se isolar as bobinas do estator, comparada com a isolação das bobinas do rotor. Como são frequentemente geradas tensões altas, da ordem de 18.000 a 20.000 V, esta alta tensão não precisa ser trazida até os anéis de contato e as escovas, mas pode ser levada diretamente para a carga através de condutores isolados a partir da armadura estacionária. Outro fator importante é a maior facilidade na troca de calor entre o enrolamento da armadura (no estator) e o ar ambiente, uma vez que se a armadura estiver posicionada no rotor a dissipação de calor será bem mais difícil..
Nos geradores C.A. de armadura estacionária e campo rotativo (Imagem 1) a tensão gerada é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal. Por este motivo, o tipo de gerador C.A. mais utilizado é o de armadura estacionária e campo rotativo.
Abaixo, podemos ver outro tipo de alternador:
Imagem 2 - Armadura rotativa e campo estacionário
O campo magnético é produzido pela corrente que flui pela bobina de campo estacionário ou estator. A excitação para a bobina de campo é fornecida por uma bateria ou qualquer outra fonte C.C..
O pequeno gerador C.A., de baixas potências, geralmente é de armadura rotativa e campo estacionário (Imagem 2). Uma desvantagem desta configuração, é que os contatos entre os anéis coletores e as escovas estão em série com a carga, ou seja, a corrente da carga passa pelas escovas. Se essas partes se desgastarem ou ficarem sujas, o fluxo de corrente pode ser comprometido.
OBSERVAÇÃO: Lembrando que, o enrolamento de campo, estando ele na configuração estacionário (estator) ou rotativo (rotor) deve ser alimentado por uma bateria para que o alternador funcione.
CURIOSIDADE: Sabia que Alternador possui este nome pois ele gera um sinal elétrico alternado?
Para este exemplo, vamos utilizar um simples gerador de eletricidade, cuja armadura é rotativa e o campo é estacionário e formado por imãs Norte e Sul.
Um gerador elementar consiste de uma espira de fio disposta de tal modo que pode ser girada em um campo magnético uniforme. Este movimento causa a indução de uma tensão na espira.
CURIOSIDADE: Para ligar a espira (fonte) a um circuito externo (carga) que aproveite a fem (força eletromotriz - tensão) induzida, são usados contatos deslizantes. Você verá mais adiante sobre Anéis coletores e Escovas!
Os polos norte e sul do ímã que proporciona o campo magnético são as peças polares. A espira de fio que gira dentro do campo é chamada de armadura. As extremidades da espira são ligadas a anéis - denominados anéis coletores - que giram com a armadura. Escovas fazem contato com os anéis coletores e ligam a armadura ao circuito externo. Na descrição do funcionamento do gerador, abaixo, imagine a espira girando dentro do campo magnético (contudo, é bom lembrar que, com a mesma facilidade, poderíamos fazer o ímã girar). À medida que os lados da espira cortam as linhas de força do campo, há produção de uma FEM induzida que provoca a circulação de corrente através da espira, anéis coletores, escovas, amperímetro de zero central e resistor de carga – tudo ligado em série. O valor da fem induzida que é gerada na espira e, portanto, da corrente produzida, depende da posição instantânea da espira em relação às linhas de fluxo do campo magnético. Veja a imagem abaixo:
Imagem 3
Como são apenas 2 polos (um Norte e um Sul), a cada ciclo, isto é, a cada giro do alternador, será produzido uma onda elétrica de tensão e corrente alternadas, como mostrado no gráfico acima.
Mas qual é a frequência desta tensão e corrente alternadas?
O valor da tensão gerada por um gerador C.A. depende da intensidade do campo e da velocidade do rotor, isto é, a saída do gerador é proporcional à intensidade do campo e à velocidade com que as bobinas e o campo interagem. Como a maioria dos geradores funciona com velocidade constante (geradores síncronos), o valor da FEM induzida (ou tensão gerada) é controlado através da excitação do campo. A frequência da FEM gerada depende do número de pólos do campo e da velocidade do rotor, como mostra a equação abaixo:
Onde:
-> F: Frequência (em Hertz);
-> p: Número total de polos do Alternador / gerador;
-> n: Velocidade do rotor (rotações por Minuto - RPM).
Observe a imagem abaixo:
Imagem 4 - Alternadores monofásicos com número de polos diferentes, porém mesma velocidade do rotor
Para uma máquina de um par de polos, a cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de polos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada par. Os geradores da usina hidrelétrica de Itaipu possuem 78 polos e giram a uma velocidade de 92,3 rpm.
Note que o número de polos da máquina terá que ser sempre par, para formar pares. Na Tabela 1, são mostradas as velocidades síncronas correspondentes para as frequências e polaridades mais utilizadas.
Tabela 1
Como pode ser visto, quanto mais polos, menor é a rotação do Gerador / Alternador.
Há três causas para a “queda” de tensão interna no gerador C.A., que são:
-> A resistência da armadura;
-> A reatância da armadura;
-> A reação da armadura.
Além disso, para um Alternador, enquanto os dois primeiros fatores sempre tendem a reduzir a tensão, o terceiro (reação da armadura) pode tender a diminuí-la ou aumentá-la. Assim, a regulação de tensão do gerador C.A. difere da do gerador C.C., em dois aspectos importantes:
-> Há uma queda de tensão devida à reatância da armadura;
-> O efeito de reação da armadura (dependendo do fator de potência da carga) pode produzir um aumento da tensão gerada que tende a tornar mais elevada a tensão nos terminais.
Imagem 5
A variação de tensão causada pela reação da armadura depende do fator de potência da carga, se é indutivo ou capacitivo. A reação da armadura afeta a intensidade do campo C.C. de modo que, quando a carga é indutiva acaba enfraquecendo o campo, e quando é capacitiva acaba fortalecendo o campo, aumentando Vg.
OBSERVAÇÃO: Quando falamos em 'carga', estamos no referindo ao circuito que o alternador vai alimentar, por isso que depende da reatância. Se o circuito for capacitivo, a tensão no alternador será maior, e se o circuito for indutivo, a tensão no Alternador será menor.
Em vazio (com rotação constante), a tensão de armadura (estator) depende do fluxo magnético gerado pelos polos de excitação, ou ainda da corrente que circula pelo enrolamento de campo (rotor). O estator fornece diferença de potencial (DDP - Tensão) para a carga e não é percorrido por corrente, portanto é nula a reação da armadura, cujo efeito é alterar o fluxo total. A relação entre tensão gerada e a corrente de excitação chamamos de característica a vazio, onde podemos observar o estado de saturação da máquina (máximo fluxo e máxima tensão). Observe o Gráfico 1:
Gráfico 1 - Tensão gerada (Vertical) versus corrente de excitação (Horizontal)
Em carga, a corrente que atravessa os condutores da armadura cria um campo magnético, causando alterações na intensidade e distribuição do campo magnético principal. Esta alteração depende da corrente, do cos φ e das características da carga, conforme veremos a seguir.
CARGA PURAMENTE RESISTIVA
Se o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, é gerado pela corrente de carga um campo magnético próprio. O campo magnético da armadura (rotor) produz dois polos (ver Imagem 6), defasados de 90 º GEOMÉTRICOS (em atraso) em relação aos polos principais (estator), e estes exercem sobre os polos da armadura uma força contrária ao movimento (resistência), gastando-se potência mecânica para manter o rotor girando. O diagrama da Imagem 6 (b) mostra a alteração do fluxo principal em vazio (φ0) em relação ao fluxo de reação da armadura (φR). A alteração de φ0 é pequena, não produzindo uma variação muito grande em relação ao fluxo resultante φ. Devido a queda de tensão nos enrolamentos da armadura será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal (veja o Gráfico 2).
Imagem 6
CARGA PURAMENTE INDUTIVA
Neste caso, a corrente de carga (I) está defasada em 90 º ELÉTRICOS (atrasada) em relação à tensão (E), e o campo de reação da armadura (φR) estará consequentemente na mesma direção do campo principal (φ0), mas em polaridade oposta. O efeito da carga indutiva é desmagnetizante (ver Imagem 7 (a) e 7 (b)). As cargas indutivas armazenam energia em seu campo magnético e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo nenhuma resistência frenante sobre a armadura (rotor). Neste caso, só será necessário energia mecânica para compensar as perdas, ou seja, a máquina que movimenta o Alternador terá que trabalhar num RPM mais alto. Devido ao efeito desmagnetizante será necessário um grande aumento da corrente de excitação para se manter a tensão nominal (Gráfico 2).
Imagem 7
CARGA PURAMENTE CAPACITIVA
A corrente da armadura (I) para uma carga puramente capacitiva está defasada de 90 º ELÉTRICOS (adiantada) em relação à tensão (E). O campo de reação da armadura (φR) consequentemente estará na mesma direção do campo principal (φ) e com a mesma polaridade. O campo da armadura (rotor), neste caso, tem um efeito magnetizante (ver Imagem 8 (a) 8 (b)). As cargas capacitivas armazenam energia em seu campo elétrico e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo também, como nas cargas indutivas, nenhuma resistência frenante sobre a armadura (rotor). Devido ao efeito magnetizante será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal (Gráfico 2).
Imagem 8
CARGAS INTERMEDIÁRIAS
Na prática, o que encontramos são cargas com defasagem intermediária, ou seja:
-> Resistiva e capacitiva;
-> Resistiva e Indutiva.
Nestes casos, o campo de reação da armadura pode ser decomposto em dois campos, um transversal e outro desmagnetizante (carga indutiva) ou magnetizante (carga capacitiva). Somente o campo transversal tem um efeito frenante, consumindo desta forma potência mecânica da máquina que aciona o Alternador. O efeito magnetizante ou desmagnetizante é compensado alterando-se a corrente de excitação.
Gráfico 2
Gerador Monofásico
Alternadores com apenas um enrolamento de fio na armadura ou vários enrolamentos ligados em série são chamados de Monofásicos. Veja o esboço abaixo:
Imagem 9 - Gerador monofásico
Perceba que as quatro bobinas do induzido (enrolamento da armadura) são ligadas em série.
Gerador Trifásico
O alternador trifásico, como seu nome sugere, possui três enrolamentos monofásicos dispostos de forma que as tensões induzidas fiquem defasadas em exatos 120 °. O diagrama esquemático simplificado mostrado na Imagem 10 (a), mostra todas as bobinas de uma fase concentradas numa só. Na Imagem 10 (b) e 10 (c), temos a representação de um alternador trifásico com os enrolamentos do estator ligados em estrela e em triângulo, respectivamente. Não se representa o rotor para maior simplicidade.
Imagem 10 - o fio pontilhado no esquema "b" é o neutro
As formas de onda das tensões geradas em cada fase estão representadas no Gráfico 3, defasadas de 120 ° elétricos no tempo. O alternador trifásico mostrado nos esquemas acima corresponde essencialmente a três alternadores monofásicos cujas tensões estão defasadas de 120 °. As três fases são independentes entre si.
Gráfico 3 - Defasagem de tensão em um gerador trifásico tipo 3φ
O tipo de ligação mais comum nos geradores trifásicos é a ligação em estrela (ou "Υ"), pois neste tipo de ligação podemos alimentar facilmente as cargas monofásicas, devido à existência do fio neutro. Os Alternadores automotivos são, normalmente, com enrolamento em "Y", porém, sem o fio neutro.
Tabela 2
A frequência e a tensão do Alternador trifásico são calculados da mesma forma que no Alternador monofásico. A diferença fica na quantidade de fases de cada modelo de alternador.
Em geral, tanto para os Alternadores Trifásicos e Monofásicos, a ligação do enrolamento de campo pode ser mista ou em série, apenas o enrolamento da armadura que pode diferir de um modelo pra outro (Monofásico ou Trifásico).
Anel coletor
Como você viu, o rotor do Alternador fica girando para que então se gere energia. Só que no rotor fica posicionado a bobina (enrolamento) de campo ou a bobina (enrolamento) da armadura. Para acionar este mecanismo do rotor, é necessário uma ligação elétrica. Mas como ligar fios no rotor se ele fica girando?
É para isso que foram criados o anel coletor, a escova e o porta escova.
O(s) anel(is) coletor(es) é(são) fixados no eixo do rotor. O anel tem uma superfície lisa, superfície esta que servirá de contato para a escova, que está fixa no porta escova, e o porta escova está fixo na carcaça do Alternador. Com a ajuda de uma mola, a escova fica pressionada o tempo todo sobre o anel coletor, que está girando junto com o rotor.
As pontas dos fio do enrolamento, que estão colocadas no rotor, estão ligadas nos anéis coletores. Os anéis coletores estão isolados do eixo do rotor e fazem contato apenas com as pontas do fio do determinado enrolamento do rotor.
Escovas
A escova fica esfregando no anel coletor (por isso este nome peculiar, "escova"). Mas para se manter encostada no anel coletor, a escova precisa ser pressionada, e esta pressão é proporcionada por uma mola. Abaixo, veja a foto de uma escova e sua mola:
Imagem 11
-> Ao manter o contato entre o anel girando e a escova fixa, a corrente flui para o rotor, alimentando a bobina de campo (no caso de Alternadores de armadura estacionária e campo rotativo);
-> Ao manter o contato entre o anel girando e a escova fixa, a tensão que alimenta a carga flui da armadura do rotor (no caso do Alternador com armadura rotativa e campo estacionário).
Porta-Escovas
Tem a função de apoiar, sustentar a mola e a escova. Veja a imagem abaixo:
Imagem 12
Nesta artigo vimos uma explanação básica sobre o funcionamento de Alternadores.
Para finalizar, há as especificações de fio utilizado nos enrolamentos desses equipamentos. Num motor, quanto mais grosso o fio do enrolamento, o motor tende a ter menos rotação e mais torque. Para motores onde o enrolamento possui fio fino, a tendência é ter mais rotação e menos torque. Isso também vale para Alternadores!
Este artigo foi feito com base em um PDF do Instituto Federal do Rio Grande do Norte, além de conhecimentos adquiridos no curso de Mecânica Automotiva do SENAI-PR.
Para sugestões e reclamações, entre em contato pelo e-mail www.hardwarecentrallr.com.br.
FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter; Instituto Federal do Rio Grande do Norte.
Tabelas e esquemas / desenhos: Instituto Federal do Rio Grande do Norte.
Fotos: Leonardo Ritter
Fontes: Instituto Federal do Rio Grande do Norte; SENAI-PR.
Última atualização: 13 de Fevereiro de 2024.