Explique, de forma sucinta, o funcionamento de um gerador síncrono em termos de campos magnéticos no rotor e estator. Também defina quais são os enrolamentos de campo e de armadura para esse caso.

Passo 1

O que o enunciado pede:
  • Explicar, de forma sucinta, como funciona um gerador síncrono focando nos campos magnéticos do rotor e do estator.
  • Definir quais são os enrolamentos de campo e os enrolamentos de armadura nesse caso.
Informações relevantes (o que já sabemos e vou usar):
  • Há um rotor (parte móvel) e um estator (parte estacionária).
  • Um campo magnético relativo entre rotor e estator é o que gera tensão elétrica por indução.
  • Em geradores síncronos típicos o rotor é excitado com corrente contínua e o estator contém enrolamentos trifásicos onde a tensão é entregue à rede.

Passo 2

Princípio físico básico: indução eletromagnética.
A lei de Faraday diz que uma tensão é induzida num enrolamento sempre que o fluxo magnético que o atravessa muda com o tempo. Em forma simples:
E = -N\frac{d\Phi}{dt}
onde \;E\; é a tensão induzida em um enrolamento com N espiras e \Phi é o fluxo magnético ligado a cada espira. Aqui temos duas maneiras de fazer \Phi variar: mover o condutor através de um campo magnético ou fazer o campo magnético variar no tempo. No gerador síncrono a variação aparente do fluxo no estator vem da rotação do campo do rotor.

Passo 3

O campo do rotor (como funciona):
  • O rotor carrega o enrolamento de excitação (o “enrolamento de campo”) alimentado por corrente contínua. Essa corrente cria pólos magnéticos fixos no rotor (N e S).
  • Quando o rotor gira, esses pólos também giram, produzindo um campo magnético que “varre” o espaço do estator com velocidade angular \omega_s. Esse campo é chamado de campo girante do rotor.
  • Existem dois arranjos comuns: rotor cilíndrico (alta velocidade, pólos não salientes) e rotor saliente (pólos protuberantes, usado em máquinas lentas), mas o princípio é o mesmo: um campo magnético fixo no rotor que gira com ele.

Passo 4

O campo do estator e como se gera a tensão:
  • No estator estão as bobinas onde a tensão é entregue (normalmente enrolamentos trifásicos distribuídos espacialmente a 120^\circ elétricos entre si). Essas bobinas são estacionárias.
  • À medida que o campo do rotor gira, o fluxo que atravessa cada enrolamento do estator varia sinusoidalmente no tempo, e portanto, por Faraday, aparece uma tensão alternada em cada fase do estator. Como as três fases estão deslocadas espacialmente, as tensões produzidas também ficam defasadas em 120^\circ, gerando corrente trifásica se houver carga.
  • A velocidade de rotação do rotor, para gerar frequência f, deve ser a velocidade síncrona:
n_s = \frac{120\,f}{p}
onde n_s é em rpm, f é a frequência em hertz e p é o número total de polos do gerador. Em regime sincronizado o rotor gira exatamente com n_s (não há “slip” como em motores assíncronos).

Passo 5

Interação entre campos: torque, potência ativa e reativa (intuição prática):
  • O campo do rotor e o campo resultante do estator interagem: forças magnéticas entre eles produzem torque eletromagnético que permite ao rotor entregar potência mecânica convertida em elétrica.
  • O ângulo entre o eixo do campo do rotor e o eixo do campo resultante do estator (chamado ângulo de carga ou ângulo de torque \delta) determina a quantidade de potência ativa entregue à rede: quanto maior \delta (dentro do limite), maior a potência ativa.
  • A excitação do rotor (corrente DC no enrolamento de campo) ajusta a tensão terminal e o fluxo: excesso de excitação faz o gerador fornecer potência reativa à rede (gerador está superexcitada); subexcitação faz o gerador absorver reativa. Isso é importante para controle de tensão e fator de potência na prática.

Passo 6

Definições diretas e claras:
  • Enrolamento de campo: é o enrolamento que cria o campo magnético principal da máquina. Em geradores síncronos convencionais esse enrolamento fica no rotor e é alimentado por corrente contínua (fonte de excitação). Sua função é produzir os pólos magnéticos que giram com o rotor.
  • Enrolamento de armadura: é o conjunto de enrolamentos onde a tensão alternada é induzida e da qual se retira a energia elétrica (normalmente o enrolamento trifásico no estator). A armadura é a “parte elétrica” que entrega potência ao circuito externo.

Resposta

Um gerador síncrono funciona com um campo magnético produzido pelo rotor (enrolamento de campo, geralmente alimentado por DC) que gira e cria um campo magnético girante; esse campo faz variar o fluxo através dos enrolamentos estacionários do estator, induzindo neles tensões alternadas trifásicas conforme \;E=-N\,d\Phi/dt\; e com frequência ligada à velocidade síncrona \;n_s=\dfrac{120\,f}{p}.
Enrolamento de campo: o enrolamento que gera o fluxo magnético principal (normalmente no rotor, alimentado por DC).
Enrolamento de armadura: o enrolamento onde a tensão é induzida e da qual se extrai a potência elétrica (normalmente o conjunto trifásico no estator).

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