geradores de energia eletrica_56108

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Geradores de Energia Eltrica(Conceitos bsicos)Prof. Luiz Ferraz Netto [email protected]

Geradores Mecnicos de Energia Eltrica Todo dispositivo cuja finalidade produzir energia eltrica custa de energia mecnica constitui uma mquina geradora de energia eltrica (diz-se tambm, impropriamente, mquina geradora de eletricidade --- eletricidade no uma grandeza fsica, um ramo da Fsica). O funcionamento dessas mquinas se baseia ou em fenmenos eletrostticos (como no caso do gerador Van de Graaff), ou na induo eletromagntica (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicaes industriais a energia eltrica provm quase exclusivamente de geradores mecnicos cujo princpio o fenmeno da induo eletromagntica (e dos quais o disco de Faraday um simples precursor); os geradores mecnicos de corrente alternante so tambm denominados alternadores; os geradores mecnicos de corrente contnua so tambm denominados dnamos. Vale, desde j, notar que: "dnamo" de bicicleta no dnamo e sim 'alternador'. Numa mquina eltrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de rgos ligados rigidamente carcaa e o rotor, sistema rgido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaa. Sob ponto d vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magntico, e o induzido que engendra a corrente induzida. No dnamo o rotor o induzido e o estator o indutor; nos alternador d-se geralmente o contrario. A corrente induzida produz campo magntico que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce foras contrrias rotao do rotor; por isso em dnamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclumos do Princpio de Conservao da Energia:Pg. 1Material oriundo do site www.feiradeciencias.com.br. Reproduo autorizada pelo autor. O Copyright do Feira de Cincias est reservado para Luiz Ferraz Netto e seu contedo est protegido pela Lei de Direitos Autorais.

www.ceee.com.br - Eletricidade para Estudantes - Teoria a energia eltrica extrada da mquina, acrescida de eventuais perdas, compensada por suprimento de energia mecnica. Princpio de Funcionamento dos Alternadores Para esclarecer o principio de funcionamento dos alternadores, descrevamos inicialmente o mais simples deles (usado em faroletes de acionamento manual e de bicicleta, e em ignio de motores de exploso para motonetas). Acompanhemos pela ilustrao:

Diante de uma bobina fixa B (induzido) pe-se a girar um m SN (indutor), como ilustrado acima. O m mantm um campo do qual o fluxo concatenado com a bobina varia periodicamente, com a mesma freqncia de revoluo do m. Se a rotao do m for lenta, um galvanmetro sensvel G indica aproximadamente a corrente instantnea no decurso do tempo; se a rotao for rpida, necessrio um osciloscpio. Na ilustrao abaixo representamos fases consecutivas do fenmeno.

Conveno: Corrente positiva, vetor unitrio, fluxo positivo.

Pg. 2Material oriundo do site www.feiradeciencias.com.br. Reproduo autorizada pelo autor. O Copyright do Feira de Cincias est reservado para Luiz Ferraz Netto e seu contedo est protegido pela Lei de Direitos Autorais.


Nessa seqncia de ilustraes acima apresentamos as fases mais representativas no funcionamento de um alternador. a variao de fluxo que induz corrente. O fluxo varia enquanto aumenta ou diminui. Quando o fluxo mximo, ele no varia; a FEM induzida nula; a corrente nula e muda de sentido. O campo magntico produzido pela corrente induzida exerce no m foras contrarias sua rotao.



A FEM induzida no senoidal mas segue, grosso modo, o grfico posto acima, onde ilustramos no mesmo par de eixos, o fluxo de induo e a corrente induzida em um alternador, em um perodo (T). Enquanto o fluxo de induo diminui, a corrente positiva; quando o fluxo aumenta, a corrente negativa, segundo a conveno apresentada. Fluxo mximo ou mnimo corresponde a corrente induzida nula. O fluxo de induo varia mais acentuadamente quando prximo de ZERO; ento a corrente tem intensidade m xima (com sinal + ou -). Mais perfeito o sistema que examinaremos em seguida. Consideremos um a espira plana de forma qualquer, abrangendo uma rea A; seja uma reta no plano desta espira.

Introduzamos a espira em um campo de induo B uniforme, dispondo a reta perpendicularmente ao campo B. Faamos a espira girar em torno da reta como eixo, com velocidade angular constante. Determinemos a fora eletromotriz induzida na espira girante.



Adotemos como origem dos tempos um dos instantes em que a normal n espira forma com o campo de induo B ngulo igual a um reto, passando de agudo para obtuso. Com a notao da ilustrao acima, o fluxo de induo na espira em qualquer instante dado por: = B.A.cos( .t + /2) = - B.A.sen .t Sendo E = - d /dt, vem: E = .B.A.cos .t

Se a espira for substituda por uma bobina de N espiras, a fora eletromotriz induzida : E = N. .B.A.cos .t Como vemos, esta fora eletromotriz induzida obedece a uma lei harmnica cuja amplitude : Emx.= N. .B.A Em funo do tempo, a fora eletromotriz induzida tem a representao cartesiana dada na ilustrao acima (figura da direita). A mudana de sinal da fora eletromotriz significa fisicamente que ela muda de polaridade, impulsionando uma corrente eltrica ora em um sentido, ora em sentido oposto. Uma fora eletromotriz que muda de polaridade periodicamente designada como fora eletromotriz alternante; no caso presente, trata-se de uma fora eletromotriz alternante harmnica.


www.ceee.com.br - Eletricidade para Estudantes - Teoria A fora eletromotriz que impele a corrente em nossas instalaes eltricas domiciliares do tipo alternante harmnica; em So Paulo, a fora eletromotriz eficaz igual a 110 volts (oportunamente daremos detalhes disso). Um exemplo numrico vir bem a calhar: Uma leve moldura de fibra, retangular, de rea A = 0,0100 m2 funciona como carretel onde se enrolam N = 42 espiras de fio de cobre esmaltado. Esse quadro posto a girar com freqncia f = 60 Hz (r.p.s.) em um campo de induo uniforme de intensidade E = 1,00 Wb/m2 (ou, o mesmo que, 1,00 tesla). Reporte-se ilustrao acima. Determinar a lei de variao da fora eletromotriz induzida, em funo do tempo. Soluo: A velocidade angular do quadro : = 2. .f = 377 rd.s-1, aproximadamente. Aplicando a equao E = .B.A.cos .t resulta: E = 158.cos377.t sendo E em volts e t em segundos. Os aparelhos eletrodomsticos construdos para funcionarem sob tenso alternante de 110 V, 60 Hz, devem ser submetidos a uma tenso que obedece, aproximadamente, a lei supra. Para intensificar o fenmeno, as espiras do rotor so dispostas sobre um ncleo de ferro, cujo efeito consiste em elevar o fluxo de induo concatenado com o quadro. Os terminais do quadro so soldados a anis coletores ; estes anis so metlicos, presos rigidamente ao eixo mas eletricamente isolados do mesmo; em cada anel apia-se uma escova, corpo slido e condutor (geralmente de grafite), comprimido elasticamente contra o anel, de modo a garantir bom contato eltrico do mesmo; as escovas esto presas a um suporte isolante; a elas liga-se a parte externa do circuito.



Aqui ilustramos as bases de um alternadores de pequeno porte. O estator constitudo por um m permanente e opera como indutor. O sistema conhecido como magneto', e usado para campainha de telefone, ou para ignio em pequenos motores de exploso (motocicletas). O estator poderia ser um eletrom (foto acima, direita: anel de Gramme) abastecido com corrente contnua de uma fonte adequada. Abaixo temos a foto (colhida em www.scite.pro.br - mvc027f.jpg) de um alternador elementar/didtico onde o rotor um m permanente (cuja rotao gera a variao de fluxo) e o estator uma bobina dotada de ncleo de ferro em U. A rotao do m permanente conseguida mediante um barbante que deve ser enrolado no eixo (entre as pernas do U de cobre, mancal do eixo) e a seguir puxado. A pequena lmpada de lanterna de 1,5 V vista nessa foto poder ser substituda por um LED (diodo emissor de luz).



Nos alternador de grande porte, o estator induzido (onde se recolhe a corrente alternante) e o rotor indutor (geralmente so eletroms alimentados por corrente contnua, por meio de anis coletores). Sistema AC - Gerador/Motor

Princpio de funcionamento dos dnamos Nos geradores tipo alternadores (como os ilustrados acima) um artifcio simples permite retificar a corrente, ou seja, fazer com que fluam sempre num mesmo sentido.Pg. 8Material oriundo do site www.feiradeciencias.com.br. Reproduo autorizada pelo autor. O Copyright do Feira de Cincias est reservado para Luiz Ferraz Netto e seu contedo est protegido pela Lei de Direitos Autorais.

www.ceee.com.br - Eletricidade para Estudantes - Teoria Substituamos o par de anis coletores por um comutador (veja ilustrao abaixo); um anel coletor dividido em dois segmentos simtricos e nos quais se apiam escovas em posies diametralmente opostas. As escovas so pequenos blocos de grafite e estacionrios, comprimidos elasticamente contra o comutador; este solidrio com o rotor e pode ser concebido como tubo de cobre secionado longitudinalmente. Nos instantes em que o fluxo de induo no rotor mximo ou mnimo a corrente induzida nula; nos mesmos instantes invertem-se as conexes das es covas com os segmentos do comutador pois so permutados os segmentos em contato com as escovas; portanto so invariveis a polaridade das escovas e o sentido da corrente no circuito externo (abaixo, em -b-, a corrente retificada). Tal corrente, cuja intensidade varia periodicamente mas cujo sentido se conserva, denominada corrente pulsante.

Dispondo sobre o mesmo ncleo diversos quadros iguais, distribudos simetricamente em torno do eixo e associados todos em srie, e dotando o comutador de outros tantos pares de segmentos, obtm-se no circuito externo uma corrente pulsante praticamente contnua.


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