GRUPOS GERADORES
PARTE II
ALTERNADORES - GRUPOS GERADORES
PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO, INSTALAÇÃO, OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE GRUPOS GERADORES
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13 - ALTERNADOR Denominamos alternador ao gerador de corrente alternada, assim como denominamos dínamo ao gerador de corrente contínua. Os geradores são máquinas destinadas a converter energia mecânica em energia elétrica. A transformação de energia nos geradores fundamenta-se no princípio físico conhecido como Lei de Lenz. Esta lei afirma que "quando existe indução magnética, a direção da força eletromotriz induzida é tal, que o campo magnético dela resultante tende a parar o movimento que produz a força eletromotriz." Os alternadores pertencem a categoria das máquinas síncronas, isto é, máquinas cuja rotação é diretamente relacionada ao número de pólos magnéticos e a freqüência da força eletromotriz. Não há, basicamente, diferenças construtivas entre um alternador e um motor síncrono, podendo um substituir o outro sem prejuízo de desempenho. Assim, um alternador quando tem seu eixo acionado por um motor, produz energia elétrica nos terminais e, ao contrário, recebendo energia elétrica nos seus terminais, produz energia mecânica na ponta do eixo, com o mesmo rendimento. A indução magnética ocorre sempre que há movimento relativo entre um condutor e um campo magnético. O gerador elementar, concebido por Michael Faraday em 1831, na Inglaterra e mais ou menos na mesma época por Joseph Henry, nos Estados Unidos, era constituído por uma espira que girava entre os pólos de um ímã, semelhante à figura:
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Faraday estabeleceu, ainda, que os valores instantâneos da força eletromotriz (ou tensão) podiam ser calculados pela relação:
e = B . l . v. sen(θ), em que:
e = Força eletromotriz;
B = Indução do Campo Magnético;
l = Comprimento do condutor;
v = Velocidade linear de deslocamento do condutor e
θ = Ângulo formado entre B e v.
O campo magnético da figura acima é constituído por ímãs naturais. Para que seja possível controlar tensão e corrente em um alternador, o campo magnético é produzido por ímãs artificiais, formados por bobinas alimentadas com corrente contínua suprida por uma fonte externa e controlada por um regulador de tensão.
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Com muitas espiras, um campo magnético controlado por meio de um dispositivo de excitação com corrente contínua, montados em arranjo conveniente, fabrica-se os alternadores comerciais utilizados nos grupos geradores, bem como os grandes alternadores das usinas hidroelétricas. Nas figuras, vistas de detalhes de alternadores produzidos pela WEG.
ALTERNADOR NEGRINI:
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Estator e tampa com bobinas de campo da
excitariz. |
Rotor com ventilador, induzido da excitatriz |
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Alternador NEGRINI Tipo ATE |
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Mecanicamente, o alternador é constituído por duas partes principais: uma fixa, que é a carcaça, onde se encontram os pés de fixação, e a outra móvel (girante). A parte fixa chamamos estator e a parte móvel chamamos rotor.
Eletricamente, também, são duas partes principais. Uma delas é responsável pelo campo magnético, onde estão localizados os pólos do alternador, que chamamos de campo (ou indutor). A outra parte é onde aparece a força eletromotriz, a qual chamamos de induzido.
O posicionamento do campo e do induzido dão origem a dois tipos de máquinas diferentes. Quando o campo está localizado no estator, temos o que chamamos de máquina de pólos fixos (ou de pólos externos) e, ao contrário, quando o campo se encontra no rotor, temos o que chamamos de máquina de pólos girantes (ou de pólos internos). As máquinas de pólos fixos são pouco utilizadas devido ao inconveniente da necessidade de escovas para retirar a energia gerada. As máquinas de pólos girantes são as mais utilizados por permitirem a retirada da energia diretamente dos terminais das bobinas.
Segundo o tipo de aplicação, os alternadores são construídos com características especiais para atender os diversos segmentos a que se destinam, com diferenças de forma construtiva, isolação, refrigeração, acabamento e características elétricas conforme abaixo:
13.1 - APLICAÇÕES
Alternadores Industriais: São os chamados de "máquinas de linha", destinados a atender a maioria dos consumidores normais.
Alternadores Navais: São máquinas construídas para uso naval, com todos os componentes projetados e tratados para resistir à corrosão marinha.
Alternadores Marinizados: basicamente são alternadores industriais destinados a serviço em áreas agressivas, recebendo então um tratamento especial em alguns componentes.
Alternadores para Telecomunicações: São máquinas especiais, com características determinadas para não causar interferência nas telecomunicações e também para atender ao tipo de carga, que é bastante severa. Em geral, os alternadores destinados a atender equipamentos de telecomunicações alimentam retificadores de alta capacidade que produzem deformações da forma de onda da tensão gerada, o que é levado em consideração no projeto e na construção do alternador especial.
Alternadores a prova de explosão: Destinam-se ao serviço em áreas saturadas, principalmente petrolíferas e químicas, onde há risco de materiais inflamáveis, sendo totalmente blindados para impedir que qualquer centelhamento entre em contato com a atmosfera ambiente, tendo por isso um sistema de refrigeração especial, tipo trocador de calor, de modo que o ar existente no interior da máquina não é transmitido ao exterior.
13.2 - NUMERO DE FASES
Pode-se ainda distinguir os alternadores segundo o numero de fases, que, no caso presente, são:
Alternadores monofásicos: São aqueles que possuem as bobinas do enrolamento induzido de tal forma que a tensão de saída é obtida em dois pontos terminais.
Alternadores trifásicos: Possuem três grupos independentes de bobinas, montadas defasadas em 120° entre si, sendo ligadas de tal maneira que podemos ter três ou quatro pontos de ligação para os consumidores. Em geral, cada grupo independente de bobinas tem duas bobinas separadas, para permitir que, com o fechamento das ligações externas, se obtenha valores diferentes de tensão, como veremos adiante. O tipo de fechamento normalmente utilizado é o "estrela com neutro acessível", onde existe um ponto de ligação para cada fase mais um ponto denominado "neutro", que é constituído pelo fechamento das extremidades das bobinas. A tensão entre os três pontos terminais de cada fase é sempre a mesma, que deve corresponder ao tipo de fechamento escolhido. A tensão medida entre cada fase e o neutro é menor, sendo, numericamente, igual ao valor da tensão entre fases dividida pela raiz quadrada de 3. O neutro é para ser ligado ao aterramento da instalação elétrica local.
No sistema trifásico ligado a carga equilibrada não deve haver circulação de corrente pelo condutor neutro, o que na prática resulta muito difícil, razão pela qual, os alternadores chamados industriais são construídos para suportar um desequilíbrio de carga entre fases máximo de 15%, valor que não deve ser excedido, pois além de provocar funcionamento irregular e diferenças de tensão entre fases, pode danificar o alternador.
13.3 - LIMITAÇÕES
O que limita a potência do alternador é a temperatura alcançada pelo enrolamento do induzido. Por isso, são máquinas que sofrem perdas por aquecimento, que pode resultar da temperatura ambiente ou da altitude. Os alternadores de linha normal de produção são fabricados para operar com temperatura ambiente máxima de 40°C e altitude de 1.000 m acima do nível do mar. Para serviço em condições mais adversas, é necessário corrigir para menos a potência do alternador.
13.4. - CONCEITOS BÁSICOS SOBRE CORRENTE ALTERNADA
Como visto no gerador elementar, diz-se que a corrente é alternada quando muda de valor ao longo do tempo em função da posição das espiras em relação ao campo magnético. Fisicamente, essas mudanças de valores instantâneos ocorrem segundo leis matematicamente definidas como veremos em seguida.
Um alternador produz corrente elétrica cujos valores instantâneos obedecem a uma forma senoidal de onda determinada pelas seguintes equações:
Corrente: i = Ip sen(ωt)
Tensão: v = Vp sen(ωt + φ)
e a potência instantânea - p = v i
O ângulo de fase - φ - varia em função dos consumidores alimentados pelo alternador. É, portanto, uma característica das cargas e seus valores se revestem de grande importância no dimensionamento dos componentes dos circuitos alimentados, bem como sua correção pode se tornar necessária, para evitar cobrança adicional pela concessionária de energia, quando se verifica valores de cosφ abaixo do limite contratual.
Nas figuras a seguir, uma visão dos valores instantâneos.
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Legenda:
v = Tensão instantânea
i = Corrente instantânea
Vp = Tensão de pico
Ip = Corrente de pico
f = Freqüência
ω = Freqüência angular (= 2 л f)
t = Tempo
φ = Ângulo de fase
T = Período (= 2 л / ω = 1 / f)
Potência Instantânea:p = v i |
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Quando a corrente percorre um circuito de resistência pura, a corrente se mantém em fase com a tensão e o ângulo de fase é zero (φ = 0). Todos os valores de potência são positivos (p > 0). |
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Quando a corrente percorre um circuito com carga indutiva ou capacitiva, há uma defasagem da corrente em relação à tensão e (φ > 0). Neste caso, surge potência instantânea negativa. Quanto maior o ângulo de fase, maior o valor negativo instantâneo. |
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Para o valor do ângulo de fase igual a 90°, as somas das potências instantâneas se anulam e a potência média é zero. Embora com os mesmos valores de tensão e corrente circulando, não há utilização de energia. |
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Tensão trifásica. No mesmo período, os valores de tensão variam defasados de 120° nas fases R, S e T (ou U, V e W). |
Valor eficaz:
É o valor da potência média,
equivalente ao valor de corrente contínua que aplicada ao circuito, produz a
mesma quantidade de calor. Sendo R a resistência do circuito, é calculado pela
fórmula: 
que uma vez resolvida,
dá os resultados:
e
os quais são conhecidos como
valores RMS (de Root Mean Square). Os valores RMS são os que são lidos nos
instrumentos de medição. (Note que tais instrumentos indicam valores RMS de
grandezas que se comportam de forma senoidal ao longo do tempo. Para medição de
grandezas com outras formas de onda, são necessários instrumentos TRUE RMS).
13.4.1 - TENSÃO, POTÊNCIA E FREQÜÊNCIA
Nos sistemas trifásicos, a tensão entre fases é determinada pelas ligações de fechamento que forem executadas. Normalmente os alternadores são fornecidos com 12 terminais de bobinas do induzido para serem ligados de forma a gerar tensão em 220/127 V, 380/220 V ou 440/254 V. A tensão entre fase e neutro é o quociente da divisão da tensão entre fases pela raiz quadrada de 3. Os diferentes valores possíveis de tensão são o resultado do arranjo das bobinas, que são construídas em grupos, resultando para cada fase um conjunto de 2 bobinas que podem ser ligadas como se vê nas figuras seguintes:
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Observar que a numeração das extremidades das bobinas se faz em espiral, de fora para dentro, em sentido horário, de forma que os números 1 e 4, assim como 2 e 5 são extremidades da mesma bobina. O arranjo da numeração na caixa de terminais que utiliza barras de ligação é feito iniciando pelo número 11 no canto superior esquerdo, terminando com o número 3, no canto inferior direito. Em geral, há outros terminais na caixa, para ligação dos circuitos de excitação. Existe alternadores que apresentam 10 pontas ao invés de 12. Neste caso, os pontos 10, 11 e 12 já estão fechados internamente e o alternador não permite a ligação 380/220 V. Se for necessário utilizar 380/220 V, duas soluções podem ser adotadas: a) - utilizar o fechamento de 440/220 V e regular a tensão para 380 V no regulador de tensão ou b) - abrir a ligação interna das pontas 10, 11 e 12 e alterar o fechamento para o esquema acima. Na maioria dos casos de mudança de tensão, é necessário substituir o voltímetro do quadro de comando, caso este não seja multitensão. As ligações do freqüencímetro e do regulador de tensão podem ser remanejadas para pontos onde exista a tensão compatível, conforme o caso.
13.4.2 - POTÊNCIA DO ALTERNADOR
Vimos no capítulo 4 que a potência do alternador é definida em KVA (potência aparente) e que a potência ativa é definida em kW, sendo o fator de potência (cosj) a relação entre as potências ativa e aparente e que kW = cosj . KVA. Vimos ainda que existe a potência reativa, que surge nos circuitos elétricos com cargas indutivas, especialmente motores elétricos.
Na realidade, a potência aparente (KVA) é a soma vetorial das potências ativa (kW) e reativa (KVAr). No triângulo de potências abaixo, pode-se visualizar as relações que existem entre as três potências:
Das relações geométricas do triângulo retângulo, sabemos que:
(KVA)² = (kW)² + (KVAr)² e que cosj = (kW)
÷ (KVA).
É fácil perceber que, mantendo-se constante o valor de
(kW), quanto maior for o valor de
(KVAr), menor será cosj e maior será (KVA). Por isso o fator de potência é universalmente
denominado
cosj.
Se estabelecêssemos uma comparação com um copo de chope, teríamos algo semelhante à figura abaixo:
A potência ativa (kW), a exemplo do que foi visto no capítulo sobre partida de motores elétricos, é calculada, para circuitos trifásicos com cargas equilibradas, conhecidos os valores de tensão (E), corrente (I) e fator de potência (cosj), pela relação:
13.4.2.1 - RENDIMENTO MECÂNICO DO ALTERNADOR
O Rendimento do Alternador é definido em termos percentuais pela relação entre a potência elétrica por ele fornecida aos consumidores e a potência mecânica absorvida do motor acionador. É sempre menor que 1.
O rendimento do alternador (h) não é constante e se aproxima do seu valor máximo com a carga entre 80 e 100% da potência máxima. Alternadores pequenos tem rendimento mais baixo do que os alternadores maiores (até 0,93 acima de 250 KVA). Deve ser informado pelo fabricante para cálculos mais seguros. Quando se tratar de cálculos estimativos, pode ser tomado igual 90% (ou 0,9), que é o valor adotado pelos montadores de grupos geradores, em geral.
13.4.3 - FREQÜÊNCIA
Como dissemos anteriormente, o alternador é uma máquina síncrona e que sua
velocidade de rotação e freqüência estão relacionadas com o número de pólos. Sendo f =
freqüência (em Hz); N
= velocidade de rotação (em rpm) e Np = número de pólos, temos que:
Assim, um alternador de 60 Hz que trabalha a 1800 rpm, tem:
60 = (1.800 x Np) ÷ 120 <=> Np = 4 pólos. Analogamente, um alternador de 6 pólos, para gerar tensão em 60 Hz, precisa girar a: 60 = (N x 6) ÷ 120 <=> N = 1.200 rpm. Um alternador especial para aeroportos, que necessita gerar tensão na freqüência de 400 Hz trabalhando a 2000 rpm, necessita de: 400 = (2000 x Np) ÷ 120 <=> Np = 24 pólos.
13.5 - EXCITAÇÃO
Como visto anteriormente, para induzir a força eletromotriz necessitamos de um circuito magnético - o campo do alternador. Em máquinas de pequeno porte, podemos formar o campo por meio de ímãs permanentes naturais, mas, normalmente, isto é feito por meios eletromagnéticos ao alimentar as bobinas que constituem os pólos com corrente contínua. Isto se denomina excitar a máquina por meio de uma fonte de corrente contínua denominada excitatriz.
Para manter constante a tensão de saída do alternador, é necessário regular o sistema de excitação pois é a intensidade do campo magnético quem determina este valor. Portanto, necessitamos de um regulador de tensão, que é o elemento capaz de "sentir" as variações de tensão de saída do alternador e atuar diretamente na excitatriz para que esta aumente ou diminua o fluxo de corrente no campo magnético, mantendo constante a tensão para qualquer solicitação de carga.
Quanto à forma construtiva, duas são as configurações básicas para o sistema de excitação do alternador; EXCITAÇÃO DINÂMICA e EXCITAÇÃO ESTÁTICA. O primeiro, denominado excitação dinâmica, é montado no próprio eixo do alternador. O segundo, denominado excitação estática, é constituído por um retificador de corrente que utiliza a própria energia gerada pelo alternador para alimentar o campo com corrente retificada. Um circuito eletrônico acoplado ao retificador faz a função de regulador de tensão, abrindo ou fechando o "gate" de um tiristor.
EXCITAÇÃO ESTÁTICA:
No sistema de excitação estática, a corrente que alimenta o campo do alternador é retificada e controlada por uma excitatriz eletrônica. A condução da corrente se faz por meio de um par de anéis com escovas montado no eixo do alternador. Como utiliza a tensão gerada pelo alternador, necessita de um mínimo de tensão inicial, gerada pelo magnetismo remanente do alternador durante a partida, para iniciar o processo de retificação e alimentação do campo. Este processo de início de geração é denominado escorva do alternador.
O sistema de excitação estática tem resposta de regulação mais rápida do que o sistema de excitação dinâmica, uma vez que o regulador atua diretamente no campo do alternador, o que lhe proporciona maior capacidade de partir motores elétricos de indução. Entretanto, como o fluxo de corrente é controlado por pulsos dos tiristores, introduz deformações na forma de onda da tensão gerada, o que o torna contra-indicado para alternadores que alimentam equipamentos sensíveis.
EXCITAÇÃO BRUSHLESS:
No sistema de excitação dinâmica sem escovas utiliza-se um gerador de corrente contínua, montado no próprio eixo do alternador. O campo deste gerador é alimentado por um regulador externo que, modernamente, é eletrônico semelhante ao empregado na excitação estática. Nos alternadores antigos este gerador de corrente contínua era um dínamo, com escovas e coletor de lâminas de cobre. Atualmente utiliza-se um pequeno alternador de pólos fixos, cuja corrente alternada gerada no induzido rotativo é retificada por uma ponte retificadora de onda completa, também girante, que transfere a corrente retificada diretamente ao campo do alternador, sem a necessidade de escovas. Este sistema é denominado "Brushless" e é largamente utilizado.
EXCITAÇÃO POR ÍMÃ PERMANENTE:
Sistema de excitação por magneto (ou imã) permanente, também conhecido por excitação PMG, abreviatura da denominação em inglês de Permanent Magnet Generator. Trata-se de um sistema de excitação onde uma excitatriz auxiliar, constituída por um campo magnético constante produzido por uma peça magnetizada antes da montagem, a qual funciona como indutor girando no interior de um enrolamento fixo, este trabalhando como induzido. Esquematicamente, tal sistema pode-se representar da seguinte forma:
Neste tipo de alternador, a energia fornecida ao campo da excitatriz (campo fixo) é proveniente do PMG e independe da energia fornecida à carga. Constitui-se, portanto, num sistema de excitação independente. Os valores de tensão nos terminais do alternador que alimentam a carga, são usados apenas como referência, opcionalmente através de um transformador de potencial, podendo ser monitorados em duas ou três fases, também opcionalmente, em função do projeto adotado pelo fabricante.
O regulador automático de tensão (identificado acima como AVR - abreviatura de Automatic Voltage Regulator) difere do regulador de tensão utilizado num alternador convencional, auto-excitado, na medida em que não supre o campo da excitatriz com a mesma energia que alimenta os consumidores. Isto é particularmente vantajoso nas aplicações onde o alternador aciona grandes motores elétricos porque possibilita a manutenção de valores elevados de corrente durante a partida destes motores, sem as grandes quedas de tensão que se verificam nos alternadores que não utilizam excitação independente. Também oferecem melhor desempenho do alternador quando alimentando cargas não lineares, tais como motores de corrente contínua alimentados por tiristores, motores de corrente alternada com chaves de partida "Soft Start" ou sistemas UPS (Uninterruptible Power Supply) também conhecidos como "No Breaks" estáticos. É a opção desejável para todos os casos onde se requer melhor qualidade da energia gerada.
O regulador de tensão (AVR) compara a tensão de saída do alternador com o padrão ajustado no potenciômetro de ajuste de tensão e efetua as correções atuando no campo da excitatriz.
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