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:
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:
onde
é a tensão induzida em um enrolamento com
espiras e
é o fluxo magnético ligado a cada espira. Aqui temos duas maneiras de fazer
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
. 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
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
, gerando corrente trifásica se houver carga. - A velocidade de rotação do rotor, para gerar frequência
, deve ser a velocidade síncrona:
onde
é em rpm,
é a frequência em hertz e
é o número total de polos do gerador. Em regime sincronizado o rotor gira exatamente com
(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
) determina a quantidade de potência ativa entregue à rede: quanto maior (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 com frequência ligada à velocidade síncrona
.
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).
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).