Um gerador de corrente elétrica é um dispositivo projetado para converter tipos não elétricos de energia (química, mecânica, térmica) em energia elétrica. Além disso, seu design é baseado no uso do princípio da indução eletromagnética.
O princípio de operação e o dispositivo do alternador mais simples
A indução eletromagnética é um fenômeno descoberto em 1831 pelo físico inglês Michael Faraday (1791-1867), que descobriu que quando um fluxo magnético variável no tempo passa por um circuito condutor fechado, uma corrente elétrica é gerada neste último. É esse princípio que está por trás de qualquer gerador.
Na prática, o princípio da indução eletromagnética é implementado da seguinte forma: uma corrente elétrica surge em uma estrutura fechada (rotor) quando é atravessada por um campo magnético giratório formado, dependendo da finalidade e do projeto do gerador, por ímãs permanentes ou especiais enrolamentos de excitação. Quando você gira o quadro, a magnitude do fluxo magnético muda. Quanto mais rápido ele gira, maior é a tensão de saída.
Em 1827, o físico húngaro Anjos Istvan Jedlik (1800-1895) descobriu esse efeito e o usou para criar um modelo original de um gerador de corrente elétrica. Porém, acreditando ser famoso, o cientista não patenteou sua descoberta, anunciando a criação do primeiro dínamo apenas em 1850.
Para drenar a corrente elétrica, a carcaça é dotada de um coletor de corrente, que a transforma em malha fechada e garante o contato constante da carcaça rotativa com os elementos estacionários do gerador. As escovas com mola são pressionadas contra os anéis coletores e, assim, a corrente elétrica é fornecida aos terminais de saída do gerador.
Girando, as metades da moldura passam sucessivamente perto dos pólos do ímã. Nesse caso, ocorre uma mudança cíclica na direção do movimento da corrente emergente - em cada pólo, a corrente se move em uma direção.
Dependendo do projeto do coletor, o gerador pode produzir corrente contínua e alternada.
- Nos geradores DC, para cada metade do enrolamento do conjunto coletor, existem meios anéis isolados uns dos outros. Pelo fato de esses meios anéis estarem mudando constantemente com escovas, a corrente não muda de direção, mas simplesmente pulsa.
- Nos alternadores, as extremidades da moldura são amarradas a anéis coletores e toda a estrutura gira em torno de seu eixo. Quando a estrutura gira, as escovas, cada uma delas firmemente adjacente ao seu próprio anel, fornecem um condutor de descida confiável. Nesse caso, não há mudança cíclica na posição das escovas.
A parte giratória do gerador é chamada de rotor e a parte estacionária é chamada de estator.
O princípio de funcionamento dos geradores de corrente alternada e contínua é idêntico. Eles diferem entre si no design dos anéis coletores localizados no rotor rotativo e na configuração dos enrolamentos.
Em alternadores, uma solução técnica original é frequentemente usada, baseada no fato de que EMF ocorre em um condutor não apenas quando ele gira em um campo magnético, mas também quando o próprio campo magnético gira em relação a um condutor estacionário.
Este efeito é amplamente utilizado por desenvolvedores que colocam ímãs elétricos ou permanentes em um rotor rotativo. Neste caso, a tensão é removida do enrolamento estacionário instalado, o que permite eliminar projetos complexos de unidades coletoras de corrente.
Geradores de corrente alternada
- desempenho construtivo;
- método de excitação;
- número de fases.
De acordo com o método de excitação, o consumidor pode encontrar unidades:
- com excitação independente - o enrolamento de excitação é alimentado por corrente contínua de uma fonte de energia independente;
- com autoexcitação - uma corrente retificada do próprio gerador é fornecida ao enrolamento de excitação;
- com excitação de ímãs permanentes - não há enrolamento de excitação;
- com excitação da excitatriz - um gerador de corrente contínua de baixa potência, "sentado" no mesmo eixo com o gerador em manutenção.
Pelo número de fases, os geradores elétricos são:
- Fase única;
- Bifásico;
- trifásico.
Na prática, alternadores trifásicos são os mais comuns. Isso se deve a uma série de vantagens características desse tipo de agregados:
- obtenção de efeito econômico no desenvolvimento de sistemas de transmissão de energia elétrica em longas distâncias - redução do consumo de material de transformadores e cabos de força; Isso é facilitado pela presença de um campo magnético circular;
- aumento da vida útil, o que garante o equilíbrio do sistema;
- uso simultâneo de tensão de linha e de fase.
Estruturalmente, um gerador elétrico trifásico tem três enrolamentos independentes localizados no estator em um círculo com um deslocamento de 120 ° em relação ao outro. Nesse caso, cada enrolamento é um gerador monofásico, capaz de fornecer uma tensão alternada ao consumidor R. Esse enrolamento único é denominado "fase". Os enrolamentos de fase podem ser interconectados por "delta" 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 eram amplamente usados.
O papel da estrutura em dispositivos que geram corrente alternada é desempenhado por um eletroímã, que, ao girar, desloca o EMF alternado induzido nos enrolamentos em um terço de um ciclo em relação ao outro.
Entre os muitos alternadores, existem dois tipos principais de design: síncrono e assíncrono. Recentemente, dado o grande número de dispositivos eletrônicos complexos controlados por microprocessadores, surgiu um novo tipo de gerador elétrico - o inversor.
Geradores de energia síncronos
Um alternador síncrono é estruturalmente composto por 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 por um mecanismo de escova, um EMF é induzido no enrolamento do estator, que é alimentado aos terminais de saída do gerador. Este projeto elimina a necessidade de contatos deslizantes, o que simplifica muito o projeto da unidade. Inicialmente, o fluxo magnético é excitado a partir de um excitador de terceiros anexado a um eixo comum e conectado ao sistema usando um acoplamento.
Em geradores elétricos síncronos de baixa potência, o enrolamento de excitação é alimentado por corrente retificada. Neste caso, o circuito elétrico é formado devido ao acionamento dos transformadores incluídos no circuito de carga. Um retificador semicondutor também está incluído lá. O circuito elétrico principal inclui:
- enrolamento de excitação;
- ajustar o reostato.
A principal característica de um gerador síncrono é que a frequência da corrente elétrica gerada é proporcional à velocidade do rotor.
Geradores de energia assíncronos
O projeto dos geradores assíncronos é simples, mas ao mesmo tempo possui as piores características técnicas em comparação com as unidades síncronas - o erro em frequência pode chegar a 4%, e em termos de tensão - até 10%. Além disso, geradores assíncronos são essenciais para a corrente de partida. Portanto, é recomendável operá-los em conjunto com estabilizadores e, em alguns casos, por exemplo, para uma partida suave de um motor elétrico, um conversor de frequência pode ser necessário.
Geradores inversores
Um gerador elétrico inversor é um gerador assíncrono convencional, em cuja saída é instalado um estabilizador adicional de parâmetros de saída.
Funciona da seguinte forma: a tensão gerada pelo gerador assíncrono entra no inversor, onde é retificada primeiro, e então pulsos de uma determinada frequência e ciclo de trabalho são formados a partir da tensão constante obtida. Na saída do dispositivo, esses pulsos são convertidos em uma tensão senoidal com características técnicas quase ideais.
Acionamento do alternador
Em um ambiente doméstico, o rotor do gerador é movido por motores de combustão interna (ICEs) que funcionam com combustíveis como gasolina ou diesel. Ao mesmo tempo, a vida útil dos geradores a gasolina equipados com motores de combustão interna de dois tempos é de cerca de 500 horas por ano (não mais do que 4 horas por dia); o ICE de quatro tempos atinge 5.000 horas por ano.
É aconselhável o uso de geradores a gasolina para pequenos cortes de energia e / ou para viagens ao campo.
Os geradores a diesel são mais potentes e duráveis do que os geradores a gasolina. Entre eles estão modelos com refrigeração a ar e líquido. As unidades resfriadas a ar são recomendadas para uso em locais onde a eletricidade é freqüentemente cortada por um longo período.
Usar tais dispositivos domésticos é extremamente simples - você precisa colocar combustível no tanque, girar a chave para ligar o motor e conectar a carga. Seu painel de controle é fornecido com todas as etiquetas e símbolos necessários e intuitivos.
Os geradores de energia a diesel refrigerados a líquido são dispositivos de uma categoria completamente diferente. Eles são capazes de funcionar durante dias e noites e são usados principalmente em empresas como fontes de energia de reserva.
Os geradores industriais, projetados para gerar corrente alternada e fornecê-la aos consumidores em longas distâncias por meio de linhas de alta tensão (PTL), operam por acionamento de 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. Nesse caso, o comprimento e o diâmetro de seu rotor podem chegar a 6,5 e 15 metros, respectivamente, e a velocidade de rotação deste último está na faixa de 1500 ... 3000 rpm. Essas unidades são instaladas em salas separadas em bases de concreto especialmente preparadas.
Opções e capacidades de gerador doméstico
Para facilidade de uso, os fabricantes equipam seus produtos com uma série de opções úteis, entre as quais:
- dispositivo para partida automática da unidade em caso de queda de energia;
- a presença de um RCD embutido que desconecta o dispositivo da rede elétrica em caso de quebra do isolamento e surgimento de corrente de fuga;
- controle dos parâmetros e sua exibição no display;
- proteção de sobrecarga.
Quando uma carga for conectada a um gerador elétrico, cujo valor será inferior ao nominal, a unidade passará a "comer" parte do combustível líquido em vão, não utilizando plenamente suas capacidades.
Não será supérfluo ter um invólucro supressor de ruído especial, um tanque de combustível alargado, um invólucro que protege a unidade dos efeitos de baixas temperaturas, etc.
Recursos de instalação
O potencial proprietário de um alternador antes da compra deve cuidar da preparação de um local para sua instalação. Independentemente de onde tal unidade será instalada, interna ou externamente, ela precisará de uma plataforma plana e sólida. A instalação de um gerador elétrico em um terreno irregular aumenta a vibração, o que acelera o desgaste das peças e pode causar a falha de um dispositivo caro.
Ao instalar o gerador em ambientes fechados, é importante fornecer ventilação de exaustão. Além disso, durante o funcionamento da unidade, é recomendável deixar a porta da sala aberta, o que por sua vez exigirá a instalação de uma grade na porta que bloqueie o acesso de estranhos, e principalmente de crianças, à zona de perigo.
Conecte o gerador à rede elétrica em estrita conformidade com os requisitos definidos nas instruções de operação. Neste caso, o cabo elétrico deve ser conectado após a máquina introdutória e o medidor elétrico.
