Como Funciona um Gerador Elétrico ?

geradores eletricosOs geradores eléctricos são aparelhos que convertem energia mecânica em energia eléctrica. A energia mecânica é, por sua vez, produzida de energia química ou nuclear em diversos tipos de combustível, ou então é obtida a partir de fontes renováveis, tais como o vento ou a força da água.

As turbinas de vapor, os motores de combustão interna, as turbinas de combustão a gás, os motores eléctricos, as turbinas de água ou de vento, são os métodos mais comuns de fornecer a energia mecânica para tais aparelhos.

Os geradores elétricos são fabricados num vasto leque de tamanhos, desde as máquinas muito pequenas de poucos watts de potência, até aos de muito grande potência, que fornecem gigawatts de potência. A animação de um gerador eléctrico abaixo exibida demonstra um exemplo de como um gerador elétrico funciona para produzir energia.

  • As duas setas negras mostram a direcção da rotação da bobina.
  • As linhas azuis representam o campo magnético dirigido do pólo norte para o pólo sul.
  • As setas vermelhas mostram a direcção instantânea da corrente AC induzida.

Animação de um gerador eléctrico

Como Funcionam os Geradores Elétricos?

O funcionamento dos geradores elétricos de energia é baseado no fenómeno da indução electromagnética: sempre que um condutor se move proporcionalmente ao campo magnético, a voltagem é induzida no condutor.

Particularmente, se uma bobina está a girar num campo magnético, então os dois lados da bobina movem-se em direcções opostas e as voltagens induzidas acrescentam-se a cada lado.

Numericamente, o valor instantâneo da voltagem resultante (chamado força electromotriz, fme) é igual à menor taxa de conversão do fluxo magnético Φ vezes o número de voltas da turbina: V=−N•∆Φ/Δt.

Esta relação foi descoberta em experiências e é conhecida como a lei de Faraday. O sinal menos aqui é devido à lei de Lenz, que determina que a direcção da força eletromotriz E é tal que o campo magnético da corrente induzida se opõe à mudança no fluxo que produz esta força eletromotriz. A lei de Lenz está relacionada com a conservação da energia.

Para uma maior clareza na animação exibida é mostrado um único laço condutor rectangular em vez de uma armadura com um conjunto de enrolamentos num núcleo de aço. Desde que a taxa de fluxo magnético mude através da bobina que gira a uma velocidade constante, muda senoidalmente com a rotação, a voltagem produzida nos terminais da bobina é também senoidal (AC).

Se um circuito externo for ligado aos terminais da bobina, esta voltagem irá criar corrente através deste circuito, resultando em energia que é enviada para a carga.

Por conseguinte, a energia mecânica que faz girar a bobina é convertida em energia elétrica. Repare que a corrente carregada, por sua vez, cria um campo magnético que se opões à mudança do fluxo da bobina, então esta opõe-se ao movimento. A corrente mais alta, a maior força devem ser aplicadas na armadura para evitar que comece a abrandar. Na animação, a bobina é rodada através de uma manivela manual.

Na prática, a energia mecânica é produzida por turbinas ou motores chamados movimentadores primários. Num pequeno gerador eletrico AC a força motriz primária é habitualmente um motor rotativo de combustão interna.

Nos aparelhos disponíveis comercialmente é integrado um alternador com este motor, numa aplicação única. O aparelho daqui resultante é referido como sendo um conjunto motor-gerador ou um genset, embora casualmente seja, com frequência chamado apenas gerador.

Um genset é o tipo mais comum de fontes de energia de apoio para o seu lar ou para o seu negócio. Note que a produção de voltagem depende unicamente do movimento relativo entre a bobina e o campo magnético. A voltagem é induzida pela mesma lei da física, quer o campo magnético se mova por uma bobina fixa, quer a bobina se mova através de um campo magnético fixo.

Na animação, o campo magnético é produzido por um íman fixo enquanto a bobina é giratória.

Nos gensets AC, habitualmente o campo é rotativo e a armadura produtora de energia é fixa. Esta armadura compõe-se de um conjunto de bobinas que formam um cilindro. Na prática, ainda, o campo magnético é normalmente induzido por um electroíman, em vez de um íman permanente.

O electroíman consiste de assim chamadas bobinas montadas num núcleo de ferro. Um fluxo de corrente no campo das bobinas produz o campo magnético. Esta corrente pode ser obtida por uma fonte externa ou pela própria armadura do sistema. A regulação é efectuada pelo sensoriamento da voltagem de saída, convertendo-a em DC, e comparando o seu nível com uma voltagem de referência. É usado um erro para controlar o campo de forma a manter uma saída constante.

A maioria das modernas fontes AC com bobinas de campo são auto-acendidas: a corrente para as bobinas de campo é fornecida por um enrolamento animado na armadura.

Como é que funciona o auto-excitamento ?

A voltagem de saída do excitamento é rectificada por uma ponte de diodo e habitualmente alimentada dentro de um regulador de voltagem. Quando é gerada a corrente AC de saída, uma porção dela flui para a bobina de campo, para gerar um campo magnético.

O campo magnético inicial antes do arranque do aparelho é produzido por algum magnetismo residual no núcleo de electro-ímans ou criado por corrente eléctrica fornecida por uma bateria enquanto se dá à manivela para pôr o motor a trabalhar.

O magnetismo residual do núcleo inicial poderá perder-se ou vir a ser enfraquecido por campos magnéticos externos de qualquer fonte, ou por inactividade (não trabalhar) por um período longo de tempo.

Alguns modelos de genset fornecem espigões de suporte automáticos. Por outro lado, se o núcleo de electro-ímans perder o seu magnetismo residual, o rotor girará, mas não será produzida nenhuma voltagem de saída AC. Neste caso, para colocar o aparelho a funcionar, você poderá ter que fazer o chamado escorvamento do gerador elétrico.

Eis aqui um procedimento típico de escorvamento

Pare o aparelho, desligue os chumbos do indutor do regulador de voltagem (verifique a polaridade dos chumbos), e então desligue o disjuntor.

De seguida, aplique por breves momentos voltagem através de uma bateria externa ou de outra qualquer fonte DC em séries com resistências limitadoras de 10-20 Ohm 25 W ou uma lâmpada eléctrica para o núcleo do campo enquanto observa a polaridade.

Deixe que o campo tenha um clarão por cerca de dez segundos e então remova a força externa de voltagem, e finalmente torne a ligar a bobina.

Para um modelo em particular consulte o Manual do Utilizador que lhe foi fornecido e leia atentamente as recomendações.

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