2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA
GS6-11A 2.2.1-1
GS6-11A
SAÍDA DE AR
DUTO DE ADMISSÃO DE AR
BOBINAS DO ESTATOR
EXCITATRIZ
GERADOR ELÉTRICO
DUTO DE ADMISSÃO DE AR
PMG
CAMPO...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA
O gerador elétrico é uma maquina muito simples que consiste em bobinas de fios de...
GS6-12CAMPO AO REDOR DE UMA BARRA MAGNÉTICA
SN
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Acima há uma ilustração de uma barra magnética simples. Imãs podem ...
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Os imãs têm uma função muito importante em um número de aparelhos c...
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A orientação de pólos magnéticos pode ser facilmente determinada pe...
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Essas linhas não fundem ou cortam outras linhas magnéticas. Se dobr...
GS6-13
CAMPO AO REDOR DE UM CONDUTOR
CARREGADO DE CORRENTE
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BÚSSOLA
PAPELÃO
FLUXO DA CORRENTE
CONDUTOR
FONTE DE
TENSÃO
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Uma relação definida existe entre magnetismo e eletricidade. Quando...
GS6-14
CAMPO DESENVOLVIDO POR UMA BOBINA
(ELETROÍMÃ)
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FLUXO DA CORRENTE CONDUTOR FIGURA B
FIGURA A
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A ilustração mostra uma bobina de fios (condutor) enrolada ao redor...
GS6-15
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CONDUTOR
CORRENTE INDUZIDA NUM CONDUTOR
EM MOVIMENTO
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
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MAGNÉTICO
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GS6-16GERADOR SIMPLES DE FASE ÚNICA
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90 GRAUS
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As ilustrações acima representam como um geradora unifásico funcion...
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CAMPO
90 GRAUS
FIGURA 1
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Na figura 3, o pólo Sul agora foi girado da sua posição vertical su...
GS6-17
FORMA DE ONDA DE SENO DO GERADOR DE FASE ÚNICA
vs.
GRAUS MECÂNICOS DE ROTAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO
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GRAUS MECÂNICOS DE ROTAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO
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Referindo à figura 3 na página 20 desta seção, como o pólo Sul se a...
GS6-18
GERADOR TRI-FÁSICO E GRAUS DE ROTAÇÃO
CONDUTOR “C”
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A figura 1 acima mostra um gerador de três fases (três condutores) ...
GS6-19
RPM
PARA 60 HZ RPM
MÁQUINA DE 2 POLOS
MÁQUINA DE 4 POLOS
MÁQUINA DE 6 POLOS
MÁQUINA DE 8 POLOS
RPM
RPM
RPM
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A geração de eletricidade discutida é de um gerador de duas fases. ...
GS6-20
FASEA
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FASE B
GERADOR DE DOIS POLOS COM CAMPO ROTATÓRIO
FONTE DE
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
O gerador elétrico tem dois campos rotatórios. O campo é um eletroí...
GS6-21
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ESQUEMÁTICO FUNCIONAL
BAIXAR
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BATERIA
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A ilustração acima é um esquema funcional de um gerador com um sist...
GS6-21
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ESQUEMA DE EXCITAÇÃO
ESQUEMÁTICO FUNCIONAL
BAIXAR
CONTROLE
DO SETPOINT
BATERIA
DE 125 VDC
ESTATOR PMG
(FASE SIM...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Resumindo o esquema de excitação, a fonte de energia corrente é ret...
GS6-11B
SAÍDA DE AR
DUTO DE ADMISSÃO DE AR
BOBINAS DO ESTATOR
EXCITATRIZ
DUTO DE ADMISSÃO DE AR
GERADOR ELÉTRICO
EXCITATRI...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
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GS6-22
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SISTEMA DE EXCITAÇÃO ESTÁTICA
ESQUEMA FUNCIONAL
BATERIA
DE 125 VCC
ENROLAMENTO
DO ESTATOR
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Alguns geradores elétricos são projetados com um sistema de excitaç...
GS6-23
POTÊNCIA ELÉTRICA
(WATTS)
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2
AMPERES X RESISTÊNCIA
(ohms)
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TENSÃO X RESISTÊNCIA
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Energia elétrica é expressa em Watts (W), Kilowatts (KW),ou Megawat...
GS6-24
CAMPO
CAMPO
INTERRUPTOR
INTERRUPTOR
FASE A
MOTOR
ELÉTRICO
(CARGA)
MOTOR
ELÉTRICO
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GERADOR
ELÉTRICO
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...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A ilustração acima apresenta uma analogia do sistema de água para d...
GS6-24
CAMPO
CAMPO
INTERRUPTOR
INTERRUPTOR
FASE A
MOTOR
ELÉTRICO
(CARGA)
MOTOR
ELÉTRICO
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GERADOR
ELÉTRICO
FIGURA 1
...
2.2.1 FundamentosdeGeraçãoElétricaCA(continuação)
Referindo à figura 1, e assumindo que o gerador elétrico está operando e...
GS6-25GERADOR TRI-FÁSICO NUM SISTEMA ISOLADO
FASE A FASE A
FASE B FASE B
FASE C FASE C
FIGURA 2
FIGURA 1
POLO NORTE
(+)
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A figura 1 é um esquema que representa a operação de um gerador elé...
GS6-26
GERADOR SIMPLES
180 GRAUS FORA DE FASE
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ROTAÇÃO
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LÂMPADAS
SINC.
ÂMBITO
SINC.
PONTO 2
PONTO...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
As páginas anteriores discutiram como o gerador elétrico (ambos de ...
GS6-26
GERADOR SIMPLES
180 GRAUS FORA DE FASE
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LÂMPADAS
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PONTO...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Agora vamos assumir que o Gerador No. 2 está operando a 60 HZ a 13....
GS6-27GERADOR SIMPLES EM FASE
S
S
ROTAÇÃO
ROTAÇÃO
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CB2A
LÂMPADAS
SINC.
ÂMBITO
SINC.
FLUXO DA
CORRENTE
CB1A
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2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Para prevenir uma falha catastrófica do gerador elétrico, disjuntor...
GS6-28
GERADOR SIMPLES
DESLIZAMENTO DO ÂNGULO DE FASE PARA FRENTE
S
ROTAÇÃO
ROTAÇÃO
CB2B
CB1B
CB2A
LÂMPADA
SINC.
ÂMBITO
SI...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Neste exemplo de perfeita sincronização, o gerador No. 2 não produz...
GS6-28
GERADOR SIMPLES
DESLIZAMENTO DO ÂNGULO DE FASE PARA FRENTE
S
ROTAÇÃO
ROTAÇÃO
CB2B
CB1B
CB2A
LÂMPADA
SINC.
ÂMBITO
SI...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Os textos passados dão um exemplo de sincronização perfeita entre o...
GS6-29
GERADOR
ELÉTRICO
MOTOR
ELÉTRICO
(CARGA)
INTERRUPTOR
FASE A
CAMPO
FIGURA 1
FATOR DE
POTÊNCIA
TENSÃO
CORRENTEVARS = 2...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A figura 1 mostra um motor elétrico conectado como carga a um gerad...
GS6-29
GERADOR
ELÉTRICO
MOTOR
ELÉTRICO
(CARGA)
INTERRUPTOR
FASE A
CAMPO
FIGURA 1
FATOR DE
POTÊNCIA
TENSÃO
CORRENTEVARS = 2...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
Se fossemos medir a voltagem e a amperagem no circuito, iríamos est...
GS6-30
GERADOR TRI-FÁSICO CONECTADO A WYE
FIGURA 3
FIGURA 2
PONTO NEUTRO
DA CONEXÃOFASE C FASE A
FASE B
TERMINAIS DA FASE
...
2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação)
A figura 1 mostra um gerador trifásico simples com cada condutor te...
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2.2.1

  1. 1. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA GS6-11A 2.2.1-1
  2. 2. GS6-11A SAÍDA DE AR DUTO DE ADMISSÃO DE AR BOBINAS DO ESTATOR EXCITATRIZ GERADOR ELÉTRICO DUTO DE ADMISSÃO DE AR PMG CAMPO P.M.G EXCITADOR RODA DE DIODOS
  3. 3. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA O gerador elétrico é uma maquina muito simples que consiste em bobinas de fios de cobre, conhecido como enrolamento do estator, e um campomagnéticorotativo,conhecidocomo rotordecampomagnético. A rotação de campo gerador (campo magnético) causa fluxo de corrente elétrica através dos enrolamentos dos estatores. Quando os rolamentos estatores estão conectados a uma carga, assim como um motor elétrico, a corrente flui do enrolamento do gerador através dos enrolamentos do motor elétrico causando a rotação do motor. A corrente flui através do motor elétrico retornando ao rolamento do gerador elétrico. Entender a relação funcional do campo gerador e do enrolamento do estator é a chave para entender como o gerador elétrico opera. As seguintes informações discutem os fundamentos de magnetismo e eletricidade. O conhecimento dos quais é essencial para entender o designeoperaçãodogeradorelétrico. GS6-12 2.2.1-2
  4. 4. GS6-12CAMPO AO REDOR DE UMA BARRA MAGNÉTICA SN
  5. 5. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Acima há uma ilustração de uma barra magnética simples. Imãs podem ser classificados em duas categorias, permanentes ou temporários, dependendo de suas habilidades em reter magnetismo. Metais endurecidos e certas ligas contendo níquel e cobalto retém seu magnetismo indefinidamente e são conhecidos como imãs permanentes. Ferro mole, contanto, quando magnetizado retém um pequeno resíduo magnético quando a força magnetizante é removida. A quantidade de magnetismo retido por um material depois que a força magnetizante é removida é chamada magnetismo residual. GS6-12 2.2.1-3
  6. 6. GS6-12CAMPO AO REDOR DE UMA BARRA MAGNÉTICA SN
  7. 7. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Os imãs têm uma função muito importante em um número de aparelhos com os quais nós estamos todos familiarizados como telefones, medidores, geração elétrica e motores. Certos materiais que são atraídos ou repelidos por um imã são chamados materiais magnéticos. Nós graduamos esses materiais magnéticos de acordo com suas habilidades de serem magnetizados. Aqueles que são fáceis de magnetizar nós dizemos que tem alta permeabilidade, assim como ferro mole. Aqueles materiais que são difíceis de magnetizar, como metais são ditos de baixa permeabilidade. A ilustração acima mostra uma barra magnética simples com pólos Norte e Sul e o campo magnético ao redor. `GS6-12 2.2.1-4
  8. 8. GS6-12CAMPO AO REDOR DE UMA BARRA MAGNÉTICA SN
  9. 9. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A orientação de pólos magnéticos pode ser facilmente determinada pelo uso de uma bússola ou alternativamente suspendendo o imã por um barbante ao redor do seu ponto médio permitindo a rotação esperando que ele pare. Os pólos irão se alinhar de acordo com suas respectiva polaridades com o pólo Norte e Sul da Terra. As linhas magnéticas contornando o imã, mostradas na ilustração, podem ser determinadas por experimentos. As linhas invisíveis são chamadas linhas de força. O espaço ao redor do imã, ou mais apropriadamente, o espaço no qual as forças magnéticas atuam é chamado campo magnético, e deve ser considerado como feito de muitas linhas de força. Uma bússola iria mostrar que linhas de força são emitidas do Pólo Norte, viajam através dos arredores médios e re-entram no pólo Sul. Dentro do imã cada linha de força passa do pólo Sul para o pólo Norte formando um circuito completo para o campo magnético. GS6-12 2.2.1-5
  10. 10. GS6-12CAMPO AO REDOR DE UMA BARRA MAGNÉTICA SN
  11. 11. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Essas linhas não fundem ou cortam outras linhas magnéticas. Se dobrar no canto você poderia tentar ver que essas linhas de força rodeiam o imã completamente, todas com a mesma orientação de Norte para Sul. O campo magnético, ou quantidade total de linhas de força, é chamado de fluxo magnético. O número de linhas de força por unidade de área é conhecido como densidade do fluxo. Unidades comuns de densidade de fluxo são linhas por polegada quadrada ou centímetro quadrado. Do ponto de vista operacional, três coisas importantes deverão se relembradas sobre imã: 1. As linhas de fluxo magnieticas viajam ao redor do imã. Elas saem do polo norte e re-entrão no imã no polo sul. 2. Isto é nos polos que a força magnética é mais forte é por causa da densidade de fluxo ( número de linhas de fluxo por unidade deáreaquadrada) 3. Os polos iguais repelem-se e os polos contrários antraem-se. O uso prático de imãs permanentes para geradores elétricos grandes é limitado por causa da sua força ou densidade de fluxo limitada. Eletromagnetos são usados extensivamente, contudo, por causa da sua maior força e habilidade de variar ou controlar sua força (densidadedefluxo). GS6-13 2.2.1-6
  12. 12. GS6-13 CAMPO AO REDOR DE UM CONDUTOR CARREGADO DE CORRENTE ++ -- BÚSSOLA PAPELÃO FLUXO DA CORRENTE CONDUTOR FONTE DE TENSÃO
  13. 13. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Uma relação definida existe entre magnetismo e eletricidade. Quando uma bússola é trazida para próximo de um condutor elétrico na qual corrente está fluindo, essa bússola vai se orientar perpendicular aos condutores. Isto estabelece que o campo magnético existe ao redor de um condutor na qual a corrente está fluindo. Experiências mais profundas provam que este campo é concêntrico ao redor do condutor. A ilustração acima mostra um circuito CC simples com um condutor passando através de um pedaço de papelão. Ao colocar uma bússola sobreopapelão,apontairámostraadireçãodapolaridadedocampomagnético. Se o fluxo da corrente é descendente como mostrado, a orientação do campo é no sentido horário. Se a polaridade fosse revertida com o fluxo da corrente ascendente através do condutor, então o campo ao redor do condutor reverte em direção e a orientação do campo magnético é anti-horária. Este fenômeno é conhecido como “Regra da Mão Direita de Ampères”. Se alguém segurar um cabo (condutor) na sua mão direita de maneira que seu polegar estivesse apontando na direção do fluxo corrente através do condutor, aí então os seus dedos estariamapontandoemdireçãodofluxodaslinhasdefluxodocampomagnético. GS6-14 2.2.1-7
  14. 14. GS6-14 CAMPO DESENVOLVIDO POR UMA BOBINA (ELETROÍMÃ) NNNN SSSS + - FLUXO DA CORRENTE CONDUTOR FIGURA B FIGURA A
  15. 15. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A ilustração mostra uma bobina de fios (condutor) enrolada ao redor de um tubo oco. O fluxo da corrente é indicado pelas flechas na figuraA. A figura B apresenta um corte transversal do condutor mostrando as linhas de força. O fim da bobina da qual as linhas de fluxo emergem é chamado o Pólo Norte. Desta maneira o campo estabelecido pela bobina é similar àquele da barra de ímã. Essa característica forma a base para muitos dispositivos eletromagnéticos úteis. A habilidade que a bobina possui de produzir fluxo é chamada força magnetomotriz. Relembrando a Regra de Mão Direita, repare que a direção do fluxo das linhas de fluxo magnéticos na figura B está correta com respeito à Regra da Mão Direita. Contudo, por causa dos arranjos físicos da bobina, os fluxos superiores e inferiores estão fluindo em direções opostas. Repare ainda que as linhas de fluxo magnético de cada seção transversal do condutor estão adicionadas à seção transversal da condutoraadjacente,produzindoumúnicocampomagnéticomelhordoquequatrocamposmagnéticosindividuais. O Rotor Gerador (Campo Principal) é um eletromagneto. A força do seu campo magnético pode variar pela variação do fluxo da corrente CC através do condutor. Mais fluxo de corrente pelo condutor produz mais linhas de fluxo magnético ao redor do condutor (maior densidadedefluxo). GS6-15 2.2.1-8
  16. 16. GS6-15 S N INTERRUPTOR CONDUTOR CORRENTE INDUZIDA NUM CONDUTOR EM MOVIMENTO LINHAS DE FLUXO MAGNÉTICO MOVIMENTO DESCARGA VÁLVULA BOMBA DE ÁGUA SUCÇÃO LÂMPADA (CARGA) FLUXO DA CORRENTE
  17. 17. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Paraentendercomoosenrolamentosdogeradorproduzemeletricidade,outrofenômenoelétricodeveserdescrito. Se um condutor for introduzido e retirado de um campo magnético de forma que o condutor corte as linhas de força, então uma corrente elétricaseráproduzidaefluiráatravésdocondutor.Istonãoiráocorrerseocondutorsemovimentar paralelamenteàslinhasdefluxo. Não importa se o condutor é fixo ou se o campo magnético é fixo. O movimento relativo irá produzir um fluxo de corrente através do condutor. A direção do fluxo da corrente no condutor irá depender da direção na qual o campo magnético está fluindo através do condutor. Energia é requerida para mover ou o condutor ou o imã. Energia exigida é uma função direta da corrente e consequentemente energia elétrica é produzida. Se não houver um circuito completo para corrente, pouca energia será requerida porque nenhuma corrente irá fluir e nenhuma energia mecânica será requerida, exceto aquela pequena quantidade necessária para resistir a fricção e o deslocamento de ar. GS6-15 2.2.1-9
  18. 18. GS6-15 S N INTERRUPTOR CONDUTOR CORRENTE INDUZIDA NUM CONDUTOR EM MOVIMENTO LINHAS DE FLUXO MAGNÉTICO MOVIMENTO DESCARGA VÁLVULA BOMBA DE ÁGUA SUCÇÃO LÂMPADA (CARGA) FLUXO DA CORRENTE
  19. 19. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Referindo-se mais uma vez ao sistema de água, uma da leis da física da natureza, como nós a conhecemos, é que as coisas se movem de áreade pressãoaltaparaáreasdepressãobaixa.Umexemplodistoéoquecausaovento. Se a válvula manual na bomba da tubulação de descarga tiver que estar aberta enquanto a bomba está operando sob pressão alta (descarga),asmoléculasdeáguaseriamliberadasparafluirdevoltaparaaáreadepressãomaisbaixa(SucçãodaBomba). Algo similar acontece em um circuito elétrico. Quando uma chave é fechada, os elétrons no terminal de pressão alta do condutor são liberados para fluir de volta para o terminal de pressão baixa do condutor, por via do filamento de lâmpada elétrica, causando o aquecimento que produz a luz. É o fluxo de elétrons através do condutor que nós chamamos de fluxo de corrente. Se o movimento do condutor através das linhas de fluxo magnético parasse, a distribuição dos elétrons no condutor iria igualar-se da mesma forma que a pressão diferencial. Sem pressão diferencial, nenhum fluxo pode ocorrer. O mesmo é verdadeiro no sistema de água. Quando a bomba não está operando, a distribuição de moléculas de água é a mesma, assim como a pressão através do sistema de tubulação. Sem a pressão diferencial, o fluxo não acontece. É importante notar que os resultados do deslocamento de elétrons no condutor requerem apenas que o condutor e as linhas de fluxo magnético estejam em movimento e interajam entre si perpendicularmente. Não importa qual está em movimento ou qual está estacionária,desdeque hajaummovimentorelativoentreosdois. GS6-16 2.2.1-10
  20. 20. GS6-16GERADOR SIMPLES DE FASE ÚNICA S N EIXO DO GERADOR CAMPO 90 GRAUS FIGURA 1 ROTAÇÃO LÂMPADA LÂMPADA LÂMPADA LÂMPADA FLUXO DE CORRENTE FLUXO DE CORRENTE CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) SENTIDO DO FLUXO DA LINHA DE FLUXO ATRAVÉS DO CONDUTOR SENTIDO DO FLUXO DA LINHA DE FLUXO ATRAVÉS DO CONDUTOR S N CAMPO 180 GRAUS FIGURA 2ROTAÇÃO NEHUM FLUXO DE CORRENTE NEHUM FLUXO DE CORRENTE N S CAMPO 360 GRAUS FIGURA 4ROTAÇÃO N S EIXO DO GERADOR CAMPO 270 GRAUS FIGURA 3 ROTAÇÃO CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR)
  21. 21. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) As ilustrações acima representam como um geradora unifásico funciona. Referindo à figura 1, se nós rodarmos o pólo Norte do ímã de uma posição vertical superior mostrada na figura 1, as linhas de fluxo magnético fluindo do pólo Norte vão cortar através do condutor resultando em um fluxo de corrente através do condutor. O número máximo de linhas de fluxo atravessando o condutor ocorrerá assim queopóloNortedoímãgiraratravésdaposiçãomostradanafigura1. Na figura 2, o pólo Norte do ímã foi rodado para o a posição vertical inferior. As linhas de fluxo magnético estão agora fluindo paralelamente ao condutor e, desta maneira, nenhuma das linhas de fluxo estão sendo atravessadas em ângulo pelo condutor. Por causa disto,nenhumacorrenteéinduzidanocondutor.Acorrente,bemcomoavoltagem,ézero. GS6-16 2.2.1-11
  22. 22. GS6-16GERADOR SIMPLES DE FASE ÚNICA S N EIXO DO GERADOR CAMPO 90 GRAUS FIGURA 1 ROTAÇÃO LÂMPADA LÂMPADA LÂMPADA LÂMPADA FLUXO DE CORRENTE FLUXO DE CORRENTE CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) SENTIDO DO FLUXO DA LINHA DE FLUXO ATRAVÉS DO CONDUTOR SENTIDO DO FLUXO DA LINHA DE FLUXO ATRAVÉS DO CONDUTOR S N CAMPO 180 GRAUS FIGURA 2ROTAÇÃO NEHUM FLUXO DE CORRENTE NEHUM FLUXO DE CORRENTE N S CAMPO 360 GRAUS FIGURA 4ROTAÇÃO N S EIXO DO GERADOR CAMPO 270 GRAUS FIGURA 3 ROTAÇÃO CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR) CONDUTOR (ENROLAMENTOS DO ESTATOR)
  23. 23. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Na figura 3, o pólo Sul agora foi girado da sua posição vertical superior para a posição mostrada. Assim que isto ocorre, as linhas de fluxo magnético atravessam o condutor em ângulo, causando a formação de voltagem e um fluxo de corrente bem como fez o pólo Norte na figura 1. Referindo à figura 1 e figura 3, o condutor atravessou o número máximo de linhas de fluxo fluindo da esquerda para a direita quando o pólo Norte se aproxima, e direita para esquerda quando o pólo Sul se aproxima. Retomando a “Lei da Mão Direita de Ampère”, entendemos porque a corrente flui no condutor em direção reversa com a rotação pólos magnéticos. Isto é chamado de Corrente Alternada ouenergiaCA. Na figura 4, as linhas de fluxo magnéticas estão mais uma vez paralelo com o condutor e nenhuma voltagem é formada ou fluxo de correnteéinduzido. GS6-17 2.2.1-12
  24. 24. GS6-17 FORMA DE ONDA DE SENO DO GERADOR DE FASE ÚNICA vs. GRAUS MECÂNICOS DE ROTAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO +V (POLO NORTE) (POLO SUL) -V TENSÃO & CORRENTE 4 5 3 2 1 0 90º 180º 270º 360º
  25. 25. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) O acima é uma ilustração de uma Onda Senoidal que é usada para mostrar a geração de voltagem e corrente em um gerador elétrico unifásico(condutorúnico),quandoocampomagnéticoérodado. No ponto 1, o campo magnético é posicionado como mostra a figura 4 da pagina 20. As linhas de fluxo não estão sendo atravessadas pelo condutor, assim voltagem e corrente não são induzidas. Figura 4, também demonstra os graus circulares de rotação do imã. O ponto 2, mostra o máximo construído de voltagem positiva e fluxo de corrente que ocorre quando o número máximo de linhas de fluxo sendo emitidas do pólo norte são atravessadas pelo condutor, como mostra a figura 1 da pagina anterior. O aumento da voltagem e corrente entre ponto 1 e 2 ocorre quando o pólo Norte aproxima o condutor e a densidade das linhas de fluxo sendo atravessadas aumenta. No ponto 3, as linhas de fluxo magnético mais uma vez estão paralelas ao condutor como mostrado na figura 2 da página 20 desta seção e paraisso,nenhumavoltagemefluxodecorrenteéinduzidodentrodocondutor. GS6-17 2.2.1-13
  26. 26. GS6-17 FORMA DE ONDA DE SENO DO GERADOR DE FASE ÚNICA vs. GRAUS MECÂNICOS DE ROTAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO +V (POLO NORTE) (POLO SUL) -V TENSÃO & CORRENTE 4 5 3 2 1 0 90º 180º 270º 360º
  27. 27. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Referindo à figura 3 na página 20 desta seção, como o pólo Sul se aproxima do condutor, a formação de voltagem e o fluxo da corrente começam a ocorrer novamente e atinge o máximo no ponto 4. O fluxo das linhas de fluxo magnético, contudo, está na direção oposta, porque as linhas de fluxo fluem para dentro e não a partir do pólo sul o que é o inverso para o pólo norte. Isso causa o fluxo da corrente na direção oposta através do condutor. Nós poderíamos expressar isto dizendo que corrente está fluindo na direção oposta devido à polaridade do imã. O pólo norte do imã é chamado polaridade positiva e o pólo sul é chamado polaridade negativa, o que significa que as linhas de fluxo magnético são emitidas do pólo norte, viajam através do espaço e entram no pólo sul. Quando as linhas de fluxo magnético saindo do pólo norte são cortadas pelo condutor, a formação da voltagem é reconhecida como sendo de polaridade negativa. No ponto 5, o campo magnético é posicionado como mostrado na figura 4 na página 20 desta seção. A respeito dos geradores elétricos de 60 ciclos, sessenta rotações completadas ou ciclos occorridos em a cada segundo de tempo. (60 ciclos por segundo X 60 segundos = 3600 rotações por minuto(RPM)) A respeito dos geradores elétricos de 50 ciclos, cinquenta rotações completadas ou ciclos occorridos em a cada segundo de tempo. (50 ciclos por segundo X 60 segundos = 3000 rotações por minuto(RPM)) GS6-18 2.2.1-14
  28. 28. GS6-18 GERADOR TRI-FÁSICO E GRAUS DE ROTAÇÃO CONDUTOR “C” (FASE “C”) 240 GRAUS DE ROTAÇÃO CONDUTOR “A” (FASE “A”) ZERO GRAUS DE ROTAÇÃO CONDUCTOR “B” (FASE “B”) 120 GRAUS DE ROTAÇÃO EIXO DO GERADOR (CAMPO) ROTAÇÃO GERADOR TRI-FÁSICO FIGURA 1 POLO NORTE (+) (-) POLO SUL FASE A 0 0º 120º 120º240º 240º360º FASE B FASE C GRAUS DE ROTAÇÃO FIGURA 2 TENSÃO e CORRENTE
  29. 29. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A figura 1 acima mostra um gerador de três fases (três condutores) simplificado. Sua operação é a mesma de um gerador de uma fase. Os três condutores, entretanto, estão fisicamente posicionados em uma distância de 120 graus racionais. A Figura 2 reflete a subida da voltagem e o fluxo de corrente de cada fase (A, B e C) enquanto as linhas de fluxo magnético do Polo Sul e do Polo Norte atravessam os condutores. Em relação a Figura 2, o gerador elétrico é projetado para operar em 60 Hz ou 60 ciclos. Isto significa que a voltagem e a corrente de cada fase irão variar de zero, positivo e negativo, e de volta para zero, sessenta vezes por segundo ( cinquenta vezes por segundo para aplicações de 50 ciclos.. GS6-19 2.2.1-15
  30. 30. GS6-19 RPM PARA 60 HZ RPM MÁQUINA DE 2 POLOS MÁQUINA DE 4 POLOS MÁQUINA DE 6 POLOS MÁQUINA DE 8 POLOS RPM RPM RPM RPM 3600 1 3600 2 3600 3 3600 4 3600 1800 1200 900 PORTANTO: 60 x E HERTZ (CICLOS/SEGUNDO) PARES DE POLOS 3600 PARES DE POLOS = = = = = = = = = = RELACIONAMENTO DA VELOCIDADE DO EIXO vs. NÚMERO DE POLOS
  31. 31. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A geração de eletricidade discutida é de um gerador de duas fases. Isto significa que o rotor do gerador ou campo principal tem somente um Polo Norte e um Polo Sul. Em relação à ilustração acima, um gerador de dois pólos deve ter seu campo magnético girando a 3600 rpm para produzir eletricidade à 60Hz, e 3000 rpm para produzir eletricidade à 50Hz. O número de ciclos completos por segundo é conhecido como freqüência. Um gerador com mais de dois pólos opera em velocidades menores. Como um exemplo, um gerador de quatro pólos deve operar a 1800 rpm paraproduzirenergiaelétricaemumciclode60. GS6-20 2.2.1-16
  32. 32. GS6-20 FASEA FASEC FASE B GERADOR DE DOIS POLOS COM CAMPO ROTATÓRIO FONTE DE ENERGIA C.C. + - S N
  33. 33. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) O gerador elétrico tem dois campos rotatórios. O campo é um eletroímã e a força do campo magnético pode ser variada pelo mudança do fluxodecorrenteaoredordonúcleodocondutornorotor. A ilustração acima mostra uma fonte de energia CC (Corrente Contínua) simples anexada ao terminal do rotor do gerador para suprir o fluxo de corrente necessário para produzir um campo magnético. Este design é funcional na teoria, entretanto, não é prático ter um banco de baterias girando a 3600 rpm para operação de dois pólos de 60 ciclos ou 1800 RPM para operação de quatro pólos de 60 ciclos. Além disso, é necessário controlar o fluxo da corrente da Fonte de Energia CC para controlar a força do campo magnético, e para isso a voltagem em cada uma das três fases do enrolamento do gerador (Fases A, B, e C). Isso poderia ser uma tarefa difícil se a Fonte de Energia CCestivesserealmentemontadanoeixodorotorerodando. Deve-se notar que a fonte de energia para eletroímãs (Campo), deve ser corrente direta (CC). Se CA fosse usada, a polaridade do campo iriaoscilar,resultandoemvoltageminstáveldogeradorelétrico. GS6-21 2.2.1-17
  34. 34. GS6-21 + - ESQUEMA DE EXCITAÇÃO ESQUEMÁTICO FUNCIONAL BAIXAR CONTROLE DO SETPOINT BATERIA DE 125 VDC ESTATOR PMG (FASE SIMPLES) POLOS MÚLTIPLOS DOS ÍMÃS PERMANENTES PMG PMG EXCITADOR ARMADURA EXCITADOR RODA DE DIODO DO CAMPO PRINCIPAL (DISCO) ENROLAMENTOS DO ESTATOR DO GERADOR DIODOS NEGATIVOS FASE A FASE B FASE C ENROLAMENTOS DO CAMPO PRINCIPAL DIODOS POSITIVOS ENROLAMENTOS DO CAMPO DO EXCITADOR ENROLAMENTOS DO CAMPO DO EXCITADOR 240 VAC @ 3600 RPM AUMENTAR N S S N REGULADOR DE TENSÃO ( - ) ( + ) SINAL DE TENSÃO VERDADEIRA TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
  35. 35. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A ilustração acima é um esquema funcional de um gerador com um sistema de excitação sem escovas. O sistema de excitação consiste em um gerador de ímã permanente (P.M.G), que serve de fonte de energia, o excitador, e os enrolamentos do campo principal do gerador elétrico. O regulador de voltagem é feito para monitorar a voltagem de saída do enrolamento do estator principal do gerador elétrico (condutores) usando um transformador potencial, e para modular a quantidade de fluxo corrente do P.M.G. para o campo do excitador. Se o nível de voltagem no estator principal do for menor do que o setpoint do regulador de voltagem, o regulador de voltagem vai permitir mais fluxo de corrente P.M.G. através do campo excitador. O inverso irá ocorrer se a voltagem é maior do que o setpoint do regulador de voltagem. A saída de P.M.G. é retificado na energia CC. O excitador é um gerador de três fases tendo um campo magnético estacionário de dois pólos. As três fases são montadas no eixo do gerador. O regulador de voltagem controla o fluxo de corrente através do enrolamento do campo excitador e, para isso, a voltagem e corrente fluem doexcitadordetrêsfases. A saída do excitador também é de corrente alternada e para isso deve ser retificada em energia CC antes que possa ser usado para cria um campo principal estável para o gerador elétrico. Como mostrado acima, os diodos do campo principal alcançam a conversão de CA para CC. Esses diodos são montados sobre o rotor gerador e também rodam à 3600 or 3000rpm. O campo principal do gerador é alimentado com corrente das três fases do excitador depois de ser transformada em energia CC pela rotação do campo de diodos principal. GS6-21 2.2.1-18
  36. 36. GS6-21 + - ESQUEMA DE EXCITAÇÃO ESQUEMÁTICO FUNCIONAL BAIXAR CONTROLE DO SETPOINT BATERIA DE 125 VDC ESTATOR PMG (FASE SIMPLES) POLOS MÚLTIPLOS DOS ÍMÃS PERMANENTES PMG PMG EXCITADOR ARMADURA EXCITADOR RODA DE DIODO DO CAMPO PRINCIPAL (DISCO) ENROLAMENTOS DO ESTATOR DO GERADOR DIODOS NEGATIVOS FASE A FASE B FASE C ENROLAMENTOS DO CAMPO PRINCIPAL DIODOS POSITIVOS ENROLAMENTOS DO CAMPO DO EXCITADOR ENROLAMENTOS DO CAMPO DO EXCITADOR 240 VAC @ 3600 RPM AUMENTAR N S S N REGULADOR DE TENSÃO ( - ) ( + ) SINAL DE TENSÃO VERDADEIRA TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
  37. 37. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Resumindo o esquema de excitação, a fonte de energia corrente é retificada para ser controlada e modulada pelo regulador de voltagem antes de ir para campo do excitador. O regulador de voltagem, usa a energia corrente, controla a força do campo do excitador portanto a saída da voltagem e corrente do excitador, que é retificada em energia CC e determina a força principal do campo do gerador . A força principal do campo do gerador é aumentada ou diminuída para controlar a voltagem na saída do enrolamento principal do estator, pelo controledo reguladordevoltagemP.M.G.ofluxodecorrenteparaocampodeexcitaçãodosenrolamentos GS6-11B 2.2.1-19
  38. 38. GS6-11B SAÍDA DE AR DUTO DE ADMISSÃO DE AR BOBINAS DO ESTATOR EXCITATRIZ DUTO DE ADMISSÃO DE AR GERADOR ELÉTRICO EXCITATRIZ RODA DE DIODOS
  39. 39. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Ailustraçãoacimaeumcortedeumgeradorelétricoquemostraacarcaça,orotoreasbobinasdoestator. O excitador sem escova mostrado é composto de uma única fase P.M.G. e o excitador de três fases previamente discutido. O gerador elétrico é conhecido como tendo um excitador sem escova porque as conexões elétricas entre os componentes giratórios e fixos são feitas com campos magnéticos. Alguns geradores elétricos usam escovas montadas sobre o rotor para fazer a conecção elétrica. De modo que asescovasdesgastamfácilmenteerequeremtrocasfrequentes. GS6-22 2.2.1-20
  40. 40. GS6-22 + - SISTEMA DE EXCITAÇÃO ESTÁTICA ESQUEMA FUNCIONAL BATERIA DE 125 VCC ENROLAMENTO DO ESTATOR DO GERADOR FASE A FASE B FASE C ENROLAMENTOS DO CAMPO PRINCIPAL (DOIS POLOS) ANEIS COLETORES ESCOVA ESCOVA REGULADOR DE TENSÃO ( - ) ( + ) SINAL ATUAL DE TENSÃO TRANSFORMADOR DE POTENCIAL ROTOR
  41. 41. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Alguns geradores elétricos são projetados com um sistema de excitação estática e usam escovas elétricas que andam nos anéis coletores do eixo para fazer a conexão elétrica. Tais escovas desgastam facilmente e precisam de reposição frequente. A ilustração acima e um esquemático funcional de um sistema de excitação estática. O controle de tensão e realizado da mesma maneira como no sistema de excitação sem escovas, previamente descrita. GS6-23 2.2.1-21
  42. 42. GS6-23 POTÊNCIA ELÉTRICA (WATTS) TENSÃO X AMPERES OR 2 AMPERES X RESISTÊNCIA (ohms) OR 2 TENSÃO X RESISTÊNCIA (ohms) ENERGIA (WATT - HORAS) POTÊNCIA (WATTS) TEMPO (HORAS) X= =
  43. 43. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Energia elétrica é expressa em Watts (W), Kilowatts (KW),ou Megawatts (MW). Um cavalo de força de energia mecânica é igual a 746 wattsou3/4kilowatts(1000watts=1KW). Afórmulaacimadeveserusadaparacalcularoupredizeravoltagemdeumcircuitoelétrico.Comoumexemplo: 13.800VoltsX1500Amperes=20.700KWou20.7MW Este exemplo é para uma quantidade instantânea de energia elétrica sendo gerada. O total de energia produzida pelo gerador é expresso emKilowatt-hora.Comonoexemplo: 20.000KWX2horasdegeração=40.000Kilowatt-horas A fórmula para calcular KW mostrada na ilustração acima é valida para circuitos CC e para circuitos de fase única CA quando a voltagem CA e a corrente estão uníssonas entre si. Para circuitos de três fases a fórmula é Volts X Amperes X 1.73 = Watts. 1.73 é a raiz quadrada de três. Para calcular a energia real ou verdadeira (watts), é preciso multiplicar pelo fator de potência. GS6-24 2.2.1-22
  44. 44. GS6-24 CAMPO CAMPO INTERRUPTOR INTERRUPTOR FASE A MOTOR ELÉTRICO (CARGA) MOTOR ELÉTRICO (CARGA) GERADOR ELÉTRICO FIGURA 1 REGULADOR DE PRESSÃO (SET @ 100 PSIG) VÁLVULA N0. 1 VÁLVULA N0. 2 MEDIDOR 10 GPM BOMBA DE ÁGUA TANQUE FIGURA 2 ANALOGIA ENTRE SISTEMA ELETRICO / ÁGUA
  45. 45. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A ilustração acima apresenta uma analogia do sistema de água para descrever como a energia elétrica (watts) é criada por um gerador elétrico operando no que é conhecido como um sistema elétrico isolado. Isso significa que o gerador não está eletricamente conectado emparalelocomumsistemadedistribuiçãoelétricainfinito,comváriosgeradoreselétricosoperando. Referindo à figura 2 acima e assumindo que a bomba de água está operando com as válvulas fechadas, a condição seria tal que a pressão de bomba de descarga seria de 100 PSIG (controlado pelo regulador de pressão), contudo, o fluxo de água através da tubulação seria zero, por causa que as válvulas estão fechadas. Abrindo a válvula1 resultaria em fluxo de 10 gpm (galões por minuto). Isso causaria a diminuição da pressão na tubulação, contudo, o regulador de pressão responderia a isso reduzindo a quantidade de fluxo retornando do tanque, mantendo, desse modo, a pressão do sistema em 100 PSIG. A nova condição é que o sistema de pressão ainda seja de 100 PSIG (potencial), contudo, o fluxo agora é 10 gpm (trabalho útil). GS6-24 2.2.1-23
  46. 46. GS6-24 CAMPO CAMPO INTERRUPTOR INTERRUPTOR FASE A MOTOR ELÉTRICO (CARGA) MOTOR ELÉTRICO (CARGA) GERADOR ELÉTRICO FIGURA 1 REGULADOR DE PRESSÃO (SET @ 100 PSIG) VÁLVULA N0. 1 VÁLVULA N0. 2 MEDIDOR 10 GPM BOMBA DE ÁGUA TANQUE FIGURA 2 ANALOGIA ENTRE SISTEMA ELETRICO / ÁGUA
  47. 47. 2.2.1 FundamentosdeGeraçãoElétricaCA(continuação) Referindo à figura 1, e assumindo que o gerador elétrico está operando em 3600 RPM (60HZ dois pólos) ou 1800 RPM para quatro pólos, e que o regulador de voltagem automático está controlando a voltagem em 100 VAC com os disjuntores do motor abertos, a condição seria tal que a voltagem (potencial) seria de 100 VAC e o fluxo de corrente seria zero. O fechamento do disjuntor No. 1 do circuito do motor resultaria em fluxo de corrente através do enrolamento do motor e retornando ao terminal de baixa voltagem ou pressão do enrolamento do estator do gerador. Para nossa discussão, assuma que o fluxo de corrente é de 10 AMPS. Como a corrente começa a fluir, a voltagem cai, mas o regulador de voltagem responde aumentando a força do campo magnético do gerador mantendo, deste modo, a saída de voltagem em 100VAC. A nova condição é que a voltagem do sistema ainda seja de 100 VAC (potencial), contudo, o fluxo da corrente agoraéde10AMPS. VOLTS X AMPS = WATTS (100 VAC) X (10 AMPS) = (1000 WATTS) = Potência Útil A conexão do segundo motor ao sistema elétrico em paralelo com o primeiro resultaria no dobro da energia elétrica produzida e consumida. VOLTS X AMPS = WATTS (100 VAC) X (20 AMPS) = (2000 WATTS) Como um ponto de interesse, quando a corrente flui através do enrolamento do estator do gerador, um campo magnético é criado ao redor do enrolamento do estator. Esse campo se opõe à rotação do campo e causa a desaceleração do eixo do gerador. É o governador de velocidadedarodamotrizdogeradorqueretornaavelocidadedogeradorelétrico paraavelocidadecorretadeoperação(frequencia). GS6-25 2.2.1-24
  48. 48. GS6-25GERADOR TRI-FÁSICO NUM SISTEMA ISOLADO FASE A FASE A FASE B FASE B FASE C FASE C FIGURA 2 FIGURA 1 POLO NORTE (+) 1 2 3 (-) POLO SUL 0 TENSÃO E CORRENTE GERADOR MOTOR DISJUNTOR FASE A FASE B FASE C
  49. 49. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A figura 1 é um esquema que representa a operação de um gerador elétrico de três fases em um sistema elétrico isolado com um único motor elétrico de três fases como carga. Assumindo que o pólo Norte do campo de rotação está aproximando a fase A e o fluxo da corrente é da fase A do gerador através da fase A do motor e retorna ao gerador elétrico, pela fase B e/ou C do motor elétrico. A questão óbvia é através de qual fase, B ou C a corrente flui? A resposta é que depende de qual ponto do tempo. Referindo à figura 2, quando a fase A do gerador está experimentando o efeito total do pólo Norte no ponto 1 (corrente flui da esquerda para a direita na figura 1), as fases B e CestãoigualmenteexperimentandooefeitodopóloSul(correntefluidadireitaparaaesquerdanafigura1). Então o fluxo da corrente produzida pela fase A retorna para o gerador em quantidades iguais através das fases B e C (pressão alta para pressão baixa). No ponto 2 na figura 2, as fases A e B do gerador estão experimentando o efeito do pólo norte em quantidade igual, enquanto a fase C está experimentando o pólo sul. Neste ponto (ponto 2) quantidades iguais de corrente produzida pela fase A e B retornam ao gerador, pela fase C. Referindo às figuras 1 e 2, no ponto 3 a corrente estaria fluindo da esquerda para a direita nas fases B e C, e direita para esquerda na fase A. Lembre-se que a direção do fluxo dos elétrons no condutor é determinada pela direção da viagem das linhas de fluxo magnético. Elas são emitidas para fora do pólo norte e entram no imã através do pólo sul. GS6-26 2.2.1-25
  50. 50. GS6-26 GERADOR SIMPLES 180 GRAUS FORA DE FASE S N ROTAÇÃO ROTAÇÃO CB2B CB1B CB2A LÂMPADAS SINC. ÂMBITO SINC. PONTO 2 PONTO 1 FLUXO DA CORRENTE CB1A N S GERADOR NO. 2 (10 MW) FIGURA 1 GERADOR NO. 1 (1000 MW) MOTOR ELÉTRICO POLO NORTE POLO NORTE POLO SUL POLO SUL GERADOR NO. 1 (1000MW) GERADOR NO. 2 (10MW) 0 0 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV FIGURA 2
  51. 51. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) As páginas anteriores discutiram como o gerador elétrico (ambos de fase única e de três fases) produziu watts (energia) enquanto operava em um sistema elétrico isolado. As próximas páginas irão discutir como o gerador produz watts (energia) quando conectado em paralelo com outro gerador elétrico, em um sistema de distribuição elétrica infinito (BUS). Antes que possamos fazê-lo, contudo, nós devemos primeiro discutir um ponto muito importante, que é a sincronização do gerador elétrico com o bus, anterior ao fechamento do disjuntor deste circuito para conexão. Geradores de fase única são usados neste exemplo, contudo, os princípios são os mesmos para geradores de trêsfases. Referindo à figura 1 e assumindo que o Gerador No. 1 (1000 MW) está operando no bus e fornecendo energia para o motor elétrico 60HZ, a figura 2 reflete a onda sinoidal ou a direção do fluxo de corrente que está sendo produzida pelo gerador No. 2. O fluxo da corrente do gerador No. 1 está fluindo da parte superior à inferior do enrolamento do estator, através do enrolamento do motor (figura 1) e retornando ao enrolamento do estator, pelo disjuntor (CB1/A). Isso é devido à direção da viagem das linhas de fluxo magnético do pólo sul. O filamento do bus ligando entre ponto 1 e CB2/A está cheio de elétrons na direção do Gerador No. 1 CB1/A. Entre ponto 2 e CB2/B os elétronssãoconcentradosnadireçãodogeradorNo.2.Istoéemaltapressãonofinaldobus GS6-26 2.2.1-26
  52. 52. GS6-26 GERADOR SIMPLES 180 GRAUS FORA DE FASE S N ROTAÇÃO ROTAÇÃO CB2B CB1B CB2A LÂMPADAS SINC. ÂMBITO SINC. PONTO 2 PONTO 1 FLUXO DA CORRENTE CB1A N S GERADOR NO. 2 (10 MW) FIGURA 1 GERADOR NO. 1 (1000 MW) MOTOR ELÉTRICO POLO NORTE POLO NORTE POLO SUL POLO SUL GERADOR NO. 1 (1000MW) GERADOR NO. 2 (10MW) 0 0 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV FIGURA 2
  53. 53. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Agora vamos assumir que o Gerador No. 2 está operando a 60 HZ a 13.800 volts (13.8KV) com CB2/A e CB2/B abertos, e nós então os fechamos. O resultado seria uma falha catastrófica nos disjuntores CB2/A e CB2/B, e no gerador elétrico. Isso porque nesse instante (figura 2) o pólo norte do gerador No. 1 está concentrando os elétrons da parte inferior à parte superior do enrolamento do estator. Isso causa uma diferença potencial através do CB2/A e CB2/B duas vezes maior que o valor normal. O resultado seria um excessivo fluxo de corrente através do enrolamento do estator do Gerador No. 1 e CB2/A e CB2/B. GS6-27 2.2.1-27
  54. 54. GS6-27GERADOR SIMPLES EM FASE S S ROTAÇÃO ROTAÇÃO CB2B CB1B CB2A LÂMPADAS SINC. ÂMBITO SINC. FLUXO DA CORRENTE CB1A N N GERADOR NO. 2 (10 MW) FIGURA 1 GERADOR NO. 1 (1000 MW) MOTOR ELÉTRICO POLO NORTE POLO NORTE POLO SUL POLO SUL GERADOR NO. 1 (1000MW) GERADOR NO. 2 (10MW) 0 0 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV FIGURA 2
  55. 55. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Para prevenir uma falha catastrófica do gerador elétrico, disjuntor e cabos, o gerador No. 2 deve estar em sincronização (em fase) com o bus antes que os disjuntores CB2/A e CB2/B estarem fechados. Figuras 1 e 2 ilustram o gerador No.2 em perfeita sincronização com o bus.Perfeitasincronizaçãosignificandoexatamenteamesmafreqüênciaeângulos defasechegandoapicoaomesmotempo. Um sincronoscópio e lâmpadas são usados como ferramentas para atingir a sincronização. Antes de sincronizar, a amplitude da voltagem do gerador No. 2 deve igualar-se à amplitude do bus, pelo regulador da voltagem do gerador. Com a amplitude da voltagem igual entre o gerador e o bus, as lâmpadas de sincronização estão continuamente desligadas enquanto o gerador está operando na mesma frequência e fase com o bus. Isso porque não existe uma diferença potencial (pressão) e a corrente não flui através dos filamentos das lâmpadas de sincronização. O ponteiro do sincronoscópio também permanece em posição vertical no centro sem se mover pelo mesmo motivo, sem diferença de potencial. GS6-28 2.2.1-28
  56. 56. GS6-28 GERADOR SIMPLES DESLIZAMENTO DO ÂNGULO DE FASE PARA FRENTE S ROTAÇÃO ROTAÇÃO CB2B CB1B CB2A LÂMPADA SINC. ÂMBITO SINC. CB1A N S N GERADOR NO. 2 (10 MW) FIGURA 1 GERADOR NO. 1 (1000 MW) MOTOR ELÉTRICO POLO NORTE POLO NORTE POLO SUL POLO SUL GERADOR NO. 1 (1000MW) GERADOR NO. 2 (10MW) 0 0 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV FIGURA 2
  57. 57. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Neste exemplo de perfeita sincronização, o gerador No. 2 não produz nenhuma potência elétrica (watts), quando CB2/A e CB2/B estão fechados. Isso porque uma diferença potencial não existe através dos disjuntores CB2/A ou CB2/B. Para atingir a produção de energia elétrica (watts), o gerador deve produzir uma diferença potencial através do disjuntor. Isso é alcançado com aumento do fluxo de combustível para a roda motriz do gerador na tentativa de aumentar a velocidade do gerador elétrico. A velocidade não aumenta, contudo, porque o gerador está eletricamente travado ao bus e Gerador No. 2 (10MW) e não tem cavalos de força suficientes para sobressair-se ao gerador No.1 (1000MW). O resultado é que ocorre uma queda de ângulo entre o gerador No.1 e o bus, queécausadapeloaumentodotorquenarodamotrizdogeradorelétrico. Figura 2 reflete a queda do ângulo de fase entre o gerador No. 2 e o bus. A frequencia de ambos ainda é de 60HZ. O pólo norte do gerador No.2, contudo, move para cima no tempo e atinge o seu pico de voltagem antes do bus. Isso causa uma diferença potencial, de modo que a voltagem do gerador No. 2 é maior do que a do bus e os elétrons fluem da parte de potencial alto (pressão) para potencial mais baixo. Quanto maior a diferença potencial (mais torque), maior o fluxo de elétrons. É desta maneira que o gerador No.2 atinge sua tarefa de contribuir o fluxo de elétrons dentro do bus e cargas conectadas. GS6-28 2.2.1-29
  58. 58. GS6-28 GERADOR SIMPLES DESLIZAMENTO DO ÂNGULO DE FASE PARA FRENTE S ROTAÇÃO ROTAÇÃO CB2B CB1B CB2A LÂMPADA SINC. ÂMBITO SINC. CB1A N S N GERADOR NO. 2 (10 MW) FIGURA 1 GERADOR NO. 1 (1000 MW) MOTOR ELÉTRICO POLO NORTE POLO NORTE POLO SUL POLO SUL GERADOR NO. 1 (1000MW) GERADOR NO. 2 (10MW) 0 0 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV 13.8 KV FIGURA 2
  59. 59. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Os textos passados dão um exemplo de sincronização perfeita entre o Gerador No 1 e o bus, aumentando assim o torque para alcançar produção elétrica (watts) depois que os disjuntores CB2/A e CB2/B estiverem fechados. Neste exemplo as lâmpadas de sincronização permanecem desligadas continuamente e o ponteiro do sincronoscópio permanece na posição vertical ao centro sem rodar. A sincronização corretamente executada é, na verdade, aquela em que a voltagem é primeiramente igualada entre o gerador e o bus. O operador, então, manipula a velocidade do gerador elétrico para fazer com que o ponteiro do sincronoscópio esteja movimentando-se bem devagar na direção FAST. Isto indica que a frequencia do gerador elétrico é um pouco maior que a do bus. É isto que se deseja, de maneira que os cavalos de força necessários para a roda motriz estejam disponíveis para forçar a diferença de fase adiante quando o disjuntor fechar (CB2/A e CB2/B). Isto é feito com a chave de controle do governador. Pouco antes que o ponteiro do sincronoscópio atinja o topo (posição entre onze e doze horas), o operador inicia o fechamento dos disjuntores (CB2/A e CB2/B). Desta maneira, o Gerador No. 2 começa a produzir fluxo positivo de elétrons para dentro do bus, imediatamente depois do fechamento do disjuntor. Isso garante que o geradornãoexperimentepotênciareversaesetorneummotorelétrico. Ainda que o operador tenha iniciado o fechamento do disjuntor na posição entre onze e doze horas, o objetivo é que o disjuntor alcance a posição fechada exatamente ao mesmo tempo que o ponteiro do sincronoscópio esteja no topo e que as lâmpadas de sincronização estejam desligadas. É nesta hora que o Gerador No. 1 está em fase com o barramento e a diferença de potencial é zero e não há arco durante o fechamento do disjuntor. Isto estenderá a vida útil do disjuntor. Uma boa analogia de sincronização usando um sincronoscópio rápido, é de dois automóveis percorrendo uma pista redonda com velocidades diferentes com um passando o outro de tempos em tempos. No momento, os dois estarão exatamente no mesmo lugar no mesmo intervalo de tempo. GS6-29 2.2.1-30
  60. 60. GS6-29 GERADOR ELÉTRICO MOTOR ELÉTRICO (CARGA) INTERRUPTOR FASE A CAMPO FIGURA 1 FATOR DE POTÊNCIA TENSÃO CORRENTEVARS = 20% FATOR DE POTÊNCIA = 80% OU FATOR DE POTÊNCIA = .8 FIGURA 2
  61. 61. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A figura 1 mostra um motor elétrico conectado como carga a um gerador elétrico. Como corrente flui através dos enrolamentos do motor, cria-seumcampomagnéticocausandoarotaçãodomotor. Motores, geradores e transformadores são exemplos de circuitos que tem indutância. Indutância é uma propriedade de qualquer circuito, que produz um forte fluxo magnético. Qualquer troca no valor do fluxo da corrente no circuito causa uma troca que produz isto e é chamado “força eletromotriz contrária”. Esta “força eletromotriz contrária” se opõe ao fluxo de corrente através do enrolamento do motor, causando um atraso da corrente em relação à voltagem. Vendo a Figura 2, notamos que no momento em que a voltagem alcança seu nível de pico, a corrente somente alcança 80 porcento do que seu nível seria se estivesse em uníssono, ou chegando a pico ao mesmo tempo que a voltagem. GS6-29 2.2.1-31
  62. 62. GS6-29 GERADOR ELÉTRICO MOTOR ELÉTRICO (CARGA) INTERRUPTOR FASE A CAMPO FIGURA 1 FATOR DE POTÊNCIA TENSÃO CORRENTEVARS = 20% FATOR DE POTÊNCIA = 80% OU FATOR DE POTÊNCIA = .8 FIGURA 2
  63. 63. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) Se fossemos medir a voltagem e a amperagem no circuito, iríamos estar medindo os níveis de pico destes dois elementos. Nosso voltímetro e amperímetro não indicariam o fato de que a corrente está atrasando em relação a voltagem e, desta maneira, nosso cálculo indicaria mais watts que foram realmente apresentados (Potência Aparente). Os Watts são na verdade iguais à voltagem multiplicada pela corrente na hora que o pico de voltagem chegar ao seu máximo valor de pico. Por esta razão, a Fórmula de Potência deve incluir a correção defatordepotênciaparaqueestejacorreta.Comoporexemplo: Watts = Volts x Amperes x Fator de Potência 13.800 Volts x 1.500 Amperes x .8 = 16.520.000 Watts ou 16.520 kilowatts ou 16.52 Megawatts VARS representam a potência reativa sendo gerada pelo fluxo de linhas magnéticas dentro do gerador elétrico e o motor causando o fluxo decorrenteaoatrasodevoltagem(VARS=VoltsxAmpsouWatts,Reativo). GS6-30 2.2.1-32
  64. 64. GS6-30 GERADOR TRI-FÁSICO CONECTADO A WYE FIGURA 3 FIGURA 2 PONTO NEUTRO DA CONEXÃOFASE C FASE A FASE B TERMINAIS DA FASE PERNA NEUTRO A B C TERMINAIS CONEXÕES DE CARGA ATERRAMENTO DA ESTRUTURA DO GERADOR CUBÍCULO DO LADO DA LINHA FASE A FASE B FASE C CUBÍCULO NEUTRO PONTO NEUTRO DA CONEXÃO PERNA NEUTRA TRANSFORMADOR DE ATERRAMENTO NEUTRO ATERRAMENTO CONDUTOR “C” (FASE “C”) CONDUTOR “A” (FASE “A”) CONDUTOR “B” (FASE “B”) EIXO DO GERADOR (CAMPO) ROTAÇÃO GERADOR SIMPLES TRI-FÁSICO FIGURA 1
  65. 65. 2.2.1 Fundamentos de Geração Elétrica CA (continuação) A figura 1 mostra um gerador trifásico simples com cada condutor tendo dois terminais disponíveis para conexão de carga. Na verdade somenteumterminaldecadacondutor (fase)estádisponívelparaconexãodecarga,comomostradonafigura3. Num gerador sadio, a corrente flui entre as fases através da conexão de ponto neutro. A corrente não flui ao aterramento. A voltagem está presente na perna neutra, entretanto, o fluxo de corrente exige um caminho de circuito completo. Este tipo de caminho de circuito não existeanãoserqueumadasfases(enrolamentodoestator)estejaemcurtocomaterraouentreasfases. Referindo-se a Figura 3, a voltagem de cada fase (Voltagem de Fase) pode ser medida conectando um voltímetro entre os terminais das fases e a perna neutra. A voltagem da linha é medida conectando é 1,73 vezes maior que a voltagem da fase. Nenhuma 2.2.1-33

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