Um gerador de corrente elétrica é um dispositivo projetado para converter tipos de energia não elétricos (químicos, mecânicos, térmicos) em energia elétrica. Além disso, seu design é baseado no uso do princípio de indução eletromagnética.
O princípio de funcionamento e o dispositivo do alternador mais simples
A indução eletromagnética é um fenômeno que foi descoberto em 1831 pelo físico britânico Michael Faraday (1791-1867), que descobriu que quando um fluxo magnético variável no tempo passa por um circuito condutor fechado, uma corrente elétrica surge no último. É esse princípio que subjaz a qualquer gerador.
Na prática, o princípio da indução eletromagnética é implementado da seguinte forma: uma corrente elétrica surge em uma estrutura fechada (rotor) quando se cruza com um campo magnético rotativo, formado de acordo com a finalidade e o design do gerador por ímãs permanentes ou enrolamentos especiais de excitação. Quando o quadro gira, a magnitude do fluxo magnético muda. Quanto mais rápido ele gira, maior a tensão de saída.
Em 1827, esse efeito foi descoberto e usado para criar o modelo original de um gerador de corrente elétrica pelo físico húngaro Agnos Istvan Jedlik (1800-1895). No entanto, considerando-o famoso, o cientista não patenteou sua descoberta e anunciou a criação do primeiro dínamo apenas em 1850.
Para remover a corrente elétrica, a carcaça é equipada com um coletor de corrente, que a transforma em um circuito fechado e fornece contato constante da carcaça rotativa com elementos estacionários do gerador. As escovas com mola são pressionadas contra os anéis coletores e, portanto, a corrente elétrica é fornecida aos terminais de saída do gerador.
Girando, as metades do quadro passam sequencialmente perto dos pólos do ímã. Nesse caso, ocorre uma mudança cíclica na direção do movimento da corrente emergente - em cada polo a corrente se move em uma direção.
Dependendo do design do coletor, o gerador pode gerar corrente direta e alternada.
- Nos geradores de corrente contínua, para cada metade do enrolamento no nó do coletor, existem anéis isolados um do outro. Devido ao fato desses meia argolas estarem constantemente mudando de escova, a corrente não muda de direção, mas simplesmente pulsa.
- Nos alternadores, as extremidades da estrutura são amarradas a anéis coletores e toda essa estrutura gira em torno de seu eixo. Ao girar o quadro, as escovas, cada uma delas adjacente ao anel, fornecem um condutor descendente confiável. Nesse caso, não ocorre uma alteração cíclica na posição das escovas.
A parte rotativa do gerador é chamada de rotor e a parte estacionária é chamada de estator.
O princípio de operação dos geradores de corrente alternada e direta é idêntico. Eles diferem entre si no design de anéis coletores localizados em um rotor rotativo e na configuração dos enrolamentos.
Em geradores de corrente alternada, uma solução técnica original é frequentemente usada, com base no fato de que a EMF aparece no condutor não apenas quando gira em um campo magnético, mas também no caso em que o próprio campo magnético gira em relação a um condutor estacionário.
Esse efeito é amplamente utilizado por desenvolvedores que colocam ímãs elétricos ou permanentes em um rotor rotativo. Nesse caso, a tensão é removida do enrolamento fixo estacionário, o que permite livrar-se dos projetos complexos dos conjuntos coletores.
Geradores CA
Um grande número dos mais diversos geradores CA são produzidos. Eles podem ser classificados pelos seguintes parâmetros:
- projeto construtivo;
- método de excitação;
- número de fases.
Pelo método de excitação para o consumidor, podem ser encontrados agregados:
- com excitação independente - o enrolamento de excitação é fornecido com corrente contínua de uma fonte de energia independente;
- com auto-excitação - uma corrente retificada do próprio gerador é fornecida ao enrolamento da excitação;
- com excitação de ímãs permanentes - sem enrolamento de excitação;
- com excitação do patógeno - um gerador DC de baixa potência, "sentado" no mesmo eixo que o gerador servido.
Pelo número de fases, os geradores elétricos são:
- Fase única;
- bifásico;
- trifásico.
Na prática, alternadores trifásicos são encontrados com mais frequência. Isso ocorre devido a várias vantagens características deste tipo de agregados:
- obter um efeito econômico no desenvolvimento de sistemas de transmissão de energia a longa distância - reduzindo o consumo de material de dispositivos transformadores e fios de energia; Isso contribui para a presença de um campo magnético circular;
- aumento do recurso operacional, o que garante o equilíbrio do sistema;
- uso simultâneo de tensão linear e de fase.
Estruturalmente, um gerador elétrico trifásico possui três enrolamentos independentes localizados no estator em torno da circunferência, com um deslocamento de 120 ° entre si. Além disso, cada enrolamento é um gerador monofásico, capaz de fornecer tensão alternada ao consumidor R. Esse enrolamento único é chamado de "fase". Os enrolamentos de fase podem ser interconectados por um "triângulo" ou "estrela".
Existem outros esquemas para conectar os enrolamentos, por exemplo, o sistema Tesla de seis fios ou a conexão Slavyanka (uma combinação de seis enrolamentos na forma de uma “estrela” e um “triângulo”), mas eles não foram amplamente utilizados.
O papel do quadro nos dispositivos que geram corrente alternada é desempenhado por um eletroímã, que, girando, muda as variáveis EMF induzidas nos enrolamentos em um terço de um ciclo em relação um ao outro.
Entre os muitos alternadores, existem dois tipos principais de design: síncrono e assíncrono. Recentemente, dado o grande número de complexos dispositivos eletrônicos controlados por microprocessadores, um novo tipo de gerador elétrico apareceu - o inversor.
Geradores síncronos de energia
Um alternador síncrono consiste em duas partes - um rotor móvel e um estator fixo.
Quando o rotor gira, que é um eletroímã com um núcleo e um enrolamento de excitação, conectado a uma fonte de energia externa usando um mecanismo de escova, uma EMF é induzida no enrolamento do estator, que é alimentado aos terminais de saída do gerador. Esse design elimina a necessidade de contatos deslizantes, o que simplifica bastante o design da unidade. Inicialmente, o fluxo magnético é excitado a partir de um excitador de terceiros montado em um eixo comum e conectado ao sistema usando um acoplamento.
Nos geradores síncronos de baixa potência, o enrolamento de campo é alimentado por uma corrente retificada. Nesse caso, o circuito elétrico é formado devido à ativação dos transformadores incluídos no circuito de carga. Um retificador semicondutor também está incluído. O circuito elétrico principal inclui:
- enrolamento de campo;
- ajustando o reostato.
A principal característica do gerador síncrono é que a frequência da corrente elétrica gerada é proporcional à velocidade do rotor.
Geradores de energia assíncronos
Um alternador assíncrono difere de um síncrono na ausência de uma conexão rígida entre as velocidades do rotor e a fem induzida. A diferença entre esses parâmetros é chamada de "escorregamento". Existe um espaço de ar entre o rotor e o estator do gerador assíncrono. Ao mesmo tempo, o torque de frenagem que ocorre quando a carga é conectada e impede a rotação do rotor afeta a frequência do EMF gerado. Portanto, a eletricidade em geradores assíncronos é gerada a uma velocidade aumentada do rotor.
O design dos geradores assíncronos é simples, mas possui as piores características técnicas em comparação às unidades síncronas - o erro na frequência pode chegar a 4% e na tensão até 10%. Além disso, geradores assíncronos são críticos para a corrente de irrupção. Portanto, recomenda-se operá-los em conjunto com estabilizadores e, em alguns casos, por exemplo, para uma partida suave do motor elétrico, pode ser necessário um conversor de frequência.
Geradores de inversores
Um gerador inversor é um gerador assíncrono convencional, na saída do qual um estabilizador adicional dos parâmetros de saída está instalado.
Funciona da seguinte forma: a tensão gerada por um gerador assíncrono vai para o inversor, onde é corrigida pela primeira vez, e então pulsos de uma dada frequência e ciclo de trabalho são formados a partir da tensão DC resultante. Na saída do dispositivo, esses pulsos são convertidos em uma tensão sinusoidal com características técnicas quase perfeitas.
Acionamento do alternador
Em condições domésticas, o rotor do gerador é acionado por motores de combustão interna (ICE) que funcionam com combustíveis como gasolina ou diesel. Ao mesmo tempo, a vida operacional dos geradores a gasolina equipados com ICEs push-pull é de cerca de 500 horas por ano (não mais de 4 horas por dia); o ICE a quatro tempos atinge 5000 horas por ano.
É recomendável usar geradores elétricos a gasolina para curtos períodos de falta de energia e / ou para sair para o campo.
Os geradores movidos a diesel são caracterizados por alta potência e gasolina muito mais durável. Entre eles, existem modelos com refrigeração a ar e líquido. Recomenda-se a utilização de unidades refrigeradas a ar em locais onde a eletricidade é frequentemente desligada por um longo período de tempo.
O uso desses eletrodomésticos é extremamente simples - você precisa abastecer o tanque, girar a chave para dar partida no motor e conectar a carga. O painel de controle está equipado com todas as inscrições e símbolos necessários e intuitivos.
Os geradores a diesel de refrigeração líquida são dispositivos em uma categoria completamente diferente. Eles podem trabalhar por dias e são usados principalmente em empresas como fontes de energia de backup.
Geradores industriais projetados para gerar corrente alternada e fornecê-la a consumidores a longas distâncias usando linhas de alta tensão (linhas de transmissão) operam ativando turbinas hidráulicas ou a vapor. Nessas unidades, o mecanismo do rotor é conectado diretamente à roda da turbina.
Os geradores de turbina são caracterizados por alta potência (até 100.000 kW) e são capazes de gerar corrente alternada com tensão de até 16 kV. O comprimento e o diâmetro do rotor podem atingir 6,5 e 15 metros, respectivamente, e a velocidade de rotação deste último está na faixa de 1500 ... 3000 rpm.Instale essas unidades em salas separadas em substratos de concreto especialmente preparados.
Opções e capacidades dos geradores elétricos domésticos
Para facilitar o uso, os fabricantes equipam seus produtos com várias opções úteis, entre as quais:
- dispositivo para partida automática da unidade durante uma queda de energia;
- a presença de um RCD embutido, desconectando o dispositivo da rede elétrica durante a quebra do isolamento e o aparecimento de uma corrente de fuga;
- controlar parâmetros e exibi-los no display;
- proteção de sobrecarga.
Quando uma carga é conectada a um gerador elétrico, cujo valor será menor que o valor nominal, a unidade começará a "consumir" parte do combustível líquido por nada, sem utilizar totalmente suas capacidades.
Não será supérfluo ter na entrega um invólucro especial de silenciamento, um tanque de combustível aumentado, um invólucro que protege a unidade da exposição a baixas temperaturas, etc.
Recursos de instalação
Um proprietário em potencial de um alternador deve cuidar da preparação do local da instalação antes da compra. Independentemente de onde a unidade será instalada, em ambientes internos ou externos, será necessária uma plataforma plana e sólida. A instalação de um gerador elétrico em um local irregular levará a um aumento na vibração, o que acelerará o desgaste de peças e poderá provocar a falha de um dispositivo caro.
Ao instalar o gerador em uma sala, é importante prever a presença de ventilação de exaustão. Além disso, durante a operação da unidade, é recomendável deixar a porta da sala aberta, o que exigirá a instalação de uma grade na porta que bloqueie pessoas de fora, e principalmente crianças, de acessar a zona de perigo.
O gerador elétrico é conectado à rede elétrica de acordo com os requisitos estabelecidos nas instruções de operação. Nesse caso, o cabo elétrico deve ser conectado após a máquina introdutória e o medidor elétrico.
