Sistema Eletroeletrônico:

Máquinas Elétricas para Geração de Energia:

Existem três tipos de máquinas elétricas que podem ser utilizadas como gerador, são elas: Máquina Assíncrona, Máquina CC e Máquina Síncrona

Máquina Assíncrona (de Indução):

Máquina de indução

As máquinas de indução são as do tipo mais comum a ser encontrado, tanto em aplicações industriais quanto residenciais. Foram desenvolvidos por Nikola Tesla em torno de 1880, através do seu estudo sobre os campos magnéticos girantes. São robustos, possuem custos de produção e manutenção pequenos além de vida útil longa.
As máquinas de indução variam de acordo com sua constituição básica. Formados essencialmente por um estator (parte fixa que recebe/fornece alimentação elétrica) e um rotor (parte girante que está ligada ao eixo o qual aciona/recebe uma potência mecânica, sob o efeito do campo magnético produzido. Possuem dois tipos de rotor: Gaiola de Esquilo e Rotor Bobinado.

  • Rotor em Gaiola de Esquilo: Esse rotor apresenta um núcleo ferromagnético laminado com ranhuras em que se encaixam as barras condutoras que o integram, sendo estas curto-circuitadas por anéis coletores nas extremidades. Podem ser monofásicos (exigem dispositivo de partida, sendo o conjugado motor nulo em condições iniciais de funcionamento) e trifásicos que por serem mais práticos, costumam ser utilizados com maior frequência.

Estator e Rotor de uma máquina do tipo Gaiola de Esquilo
  • Rotor Bobinado: Máquinas cujas bobinas a eles associadas estão conectadas a uma resistência variável e trifásica (ligação estrela ou Y). Sendo a resistência variável inicialmente o seu valor é máximo, passando a diminuir com o movimento do rotor até atingir a plena carga (condição em que é estabelecido o curto-circuito e essa resistência torna-se nula).

A máquina de indução é a de construção mais simples. Estator e rotor são montados solidários, com um eixo comum aos “anéis” que os compõem. O estator é constituído de um enrolamento trifásico distribuído uniformemente em torno do corpo da máquina, para que o fluxo magnético resultante da aplicação de tensão no enrolamento do estator produza uma forma de onda especialmente senoidal. A onda eletromagnética produzida pelo enrolamento é uma função senoidal do espaço e do tempo.

A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator irá produzir um campo magnético variante no tempo que devido à distribuição uniforme do enrolamento do estator irá gerar um campo magnético resultante girante na velocidade proporcional à frequência da rede trifásica. O fluxo magnético girante no estator atravessará o entre-ferro e por ser variante no tempo induzirá tensão alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão curto circuitados essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor o que por consequência ira produzir um fluxo magnético no rotor que tentará se alinhar com o campo magnético girante do estator.

Como o valor das tensões induzidas no rotor no caso de rotor bobinado dependem da relação de espiras entre o rotor e o estator, o estator pode ser considerado como o primário de um transformador e o rotor como seu secundário.

Este tipo de máquina quando acionada por uma turbina e operando com uma rotação acima da síncrona pode gerar potência ativa e entregá-la ao sistema onde está conectado, passando então a funcionar como gerador.

  • Escorregamento: O escorregamento, deslizamento ou SLIP, é a diferença entre a velocidade do campo girante e a velocidade do rotor. O escorregamento tem influência direta na frequência da Força eletromotriz induzida na barra do rotor. No instante da partida, ou seja, quando o rotor está parado, o escorregamento é máximo, ou seja, S=1 e a frequência é igual a da tensão de alimentação.Sabemos que a frequência rotorica depende da velocidade de corte das linhas de força do campo girante, e como o escorregamento é diretamente proporcional a essa velocidade, conclui-se que a frequência rotórica é diretamente proporcional ao escorregamento.

O escorregamento pode ser calculado pela expressão:

  • Máquinas de Indução operando no modo gerador:

Um gerador de indução produz energia elétrica quando seu rotor é girado mais rápido do que a velocidade síncrona . Para um motor típico de quatro pólos (dois pares de pólos no estator) que operam em uma rede elétrica de 60 Hz, a velocidade síncrona é de 1800 rotações por minuto (rpm). O mesmo motor de quatro pólos que opera em uma grade de 50 Hz terá uma velocidade síncrona de 1500 RPM. O motor normalmente gira ligeiramente mais lento do que a velocidade síncrona; A diferença entre velocidade síncrona e operacional é chamada de "deslizamento" e geralmente é expressa em percentagem da velocidade síncrona. Por exemplo, um motor que opera a 1450 RPM que possui uma velocidade síncrona de 1500 RPM está funcionando com um deslizamento de + 3,3%.

Na operação normal do motor, a rotação do fluxo do estator é mais rápida do que a rotação do rotor. Isso faz com que o fluxo do estator induz as correntes do rotor, que criam um fluxo de rotor com polaridade magnética oposta ao estator. Desta forma, o rotor é arrastado por trás do fluxo do estator, com as correntes no rotor induzidas na freqüência de deslizamento.

Na operação do gerador, um motor principal (turbina ou motor) conduz o rotor acima da velocidade síncrona (deslizamento negativo). O fluxo do estator ainda induz correntes no rotor, mas como o fluxo do rotor oposto agora está cortando as bobinas do estator, uma corrente ativa é produzida em bobinas de estator e a máquina agora funciona como um gerador, fornecendo potência ativa.

É interessante ressaltar que a máquina de indução necessita de uma fonte de potência reativa para manter o fluxo magnético de excitação. Esta potência reativa pode ser tanto fornecida pela rede elétrica, no caso de um sistema interligado, quanto por um banco capacitivo, no caso de um sistema isolado.

  • Capacitores de Auto-Excitação: Para operação isolada da rede elétrica, um banco capacitivo e uma tensão residual são necessários para dar início ao processo de excitação (escorvamento) da máquina de indução. Este processo é necessário para estabelecer um fluxo magnético nas bobinas da máquina, elevando a tensão da máquina até seu valor nominal, para finalmente a máquina conseguir gerar energia.

Os capacitores de auto-excitação devem ser escolhidos de acordo com a potência reativa nominal da máquina e as formas de ligação feitas.

Ex.: Máquina conectada em triângulo (220V linha/fase), potência ativa de 370W e eficiência de 80% com banco de capacitores conectados em triângulo:

Máquina CC:

Máquina Síncrona:

Além da potência, existe também outro parâmetro a ser escolhido, que é o número de polos.
O número de polos da máquina de indução é inversamente proporcional à sua velocidade nominal,
e proporcional ao conjugado (torque) nominal, através das expressões:

sendo fm a frequência elétrica da rede em Hertz(Hz), Vm a velocidade em RPM (rotações/min), P o número de polos, W a potência nominal da máquina em W (Watts) e T o conjugado nominal em N*m (Newton vezes metro).

Com valores nominais de velocidade, potência e conjugado, a frequência elétrica da rede será de 60Hz.
É importante também ressaltar que o número de polos de uma máquina assíncrona é sempre par, de forma a alternar entre polos norte e sul.

O Motor escolhido é de Indução Trifásico de 0.75HP e 2 polos (assíncrono), e considerando uma eficiência de 80% como gerador, teremos uma potência de 447,42W, rotação e torque nominais de 3600RPM e 1,1868N.m respectivamente.

Esses tipos de geradores geram correntes senoidais defasadas de 120º entre si e com frequência que depende da velocidade de rotação do mesmo. Devido à frequência variável dessas correntes, há uma necessidade de retificação para corrente contínua e depois uma conversão para corrente alternada de 60Hz, de forma a ser possível alimentar equipamentos convencionais e até mesmo fazer ligação direta com a rede. A etapa de retificação é importante também para a medição da potência útil que esse gerador irá fornecer. Sistemas de corrente alternada possuem potências úteis e reativas, o que torna um pouco mais complicadas as medições, pois há a necessidade de medição de ambas. Nos sistemas de corrente contínua, existem somente potências úteis, tornando as medições mais simples.

No diagrama elétrico abaixo, encontram-se as saídas do gerador de indução, representadas pelas fontes de corrente alternada, o sistema de retificação com diodos e capacitores, e o sistema de medição, composto por um voltmetro, um amperímetro e um reostato como carga. O Voltmetro será composto por um divisor de tensão ligado ao arduino e o amperímetro será um sensor de corrente do tipo "garra". Com essas duas medidas, será possível saber a potência útil do motor utilizado como gerador, através da multiplicação das mesmas.

Lista de materiais a serem comprados para realização do roteiro de medições de potência util:

  • Motor de Indução trifásico de 3/4CV (aprox. 550W como motor, menor eficiência como gerador)
    • Encontrado um da marca NOVA na loja DEMEO na Santa Ifigênia por R$349,00

Gerador de Indução Auto-Excitado:

Toda máquina elétrica operando no modo gerador necessita de uma corrente de excitação, de uma fonte de energia externa para que o sistema se mantenha magneticamente estável mesmo sem alguma carga puxando energia do mesmo. Dado que toda máquina elétrica é formada por indutâncias, é necessário ter uma corrente circulando para que haja uma tensão entre seus terminais, de acordo com a seguinte equação:

Vl(t)=L*(di/dt)

Em sistemas isolados, essa corrente de excitação pode ser fornecida pela própria máquina e um banco de capacitores, utilizando-se o magnetismo residual da máquina, que gera uma baixa tensão ao se girar a mesma, e essa baixa tensão é armazenada no banco de capacitores, dando início ao processo de auto-excitação, em que a tensão e a corrente vão se elevando conforme a máquina gira até atingir os valores nominais da máquina. Esses capacitores devem ser dimensionados de forma que sua curva de reatância intercepte a curva de tensão x corrente da máquina no ponto de saturação da mesma, conforme mostra a figura abaixo:

A melhor forma de se fazer esse dimensionamento é colocar o gerador para girar em velocidade constante através de uma máquina primária (de preferência na velocidade síncrona do gerador) e ir adicionando as capacitâncias no sistema até que a mesma atinja uma tensão de cerca de 1,1 vezes a sua nominal. Para uma aproximação inicial, é interessante montar o banco de capacitores em ligação delta (maior corrente, menor tensão) e calcular a capacitância de forma a fornecer correntes de fase próximas da nominal da máquina. As capacitâncias que forem sendo adicionadas podem ser colocadas em paralelo com as já existentes, de forma a se obter uma capacitância equivalente maior.

Exemplo de um sistema auto-excitado com máquina primária acoplada ao gerador e carga RC

Retificador

Inversor de Frequência

Captura_de_tela_de_2017-07-28_13-23-42.png (25.4 kB) Alisson Claudino, 28/07/2017 13:25

512px-Stator_and_rotor_by_Zureks.JPG (46.6 kB) Alisson Claudino, 02/08/2017 14:06

Motor_asincrono.jpg (119.6 kB) Alisson Claudino, 02/08/2017 14:08