Alternador: como funciona e para que serve?

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O alternador, como o dínamo, transforma energia mecânica em energia elétrica. A forma da saída (do alternador e do dínamo), entretanto, é diferente. A corrente gerada pelo dínamo flui sempre na mesma direção durante todo o tempo, enquanto que a do alternador muda de direção, numa velocidade constante, em forma de uma onda senoidal. Uma corrente alternada desse tipo eleva-se a um valor máximo, cai a zero, sobe ao máximo da direção oposta e cai, novamente, a zero. Este ciclo é repetido 50 ou 60 vezes por segundo, num alternador típico de usina elétrica, ou seja, numa frequência de 50 ou 60 Hz.

Alternador automotivo

Corte de alternador de automóvel. O desenvolvimento da eletrônica tornou possível a conversão da saída para a corrente contínua de maneira simples. Aqui, um retificador está incorporado à unidade.

O alternador mais simples se parece muito com um dínamo comum: um círculo de fio gira entre os pólos de um ímã permanente, sendo a corrente retirada do círculo de fio através de dois anéis metálicos, isolados do eixo, contra os quais se apoiam as escovas — blocos de cai vão montados sobre suportes com molas. A direção do fluxo da corrente dependerá da maneira pela qual cada metade do circuito corte as linhas de força do campo magnético. À medida que uma das metades cruzar descendentemente o pólo norte do ímã, a cor­rente fluirá numa direção, comportando-se de maneira inversa ao subir, cruzando o pólo sul. Um ciclo com­pleto será gerado quando o circuito fizer uma rotação completa de 360°. Assim, para se conseguir uma cor­rente alternada de 60 Hz, o circuito deverá efetuar 3 600 rotações por minuto.

Alternador em usinas elétricas

Esquema de um alternador típico. O rotor central é um eletroímã (fiação verde), acionado através de anéis que coletam a corrente das escovas (também em verde). O rotor gira dentro da fiação estacionária (em vermelho, azul e amarelo), que se estende por dois terços da circunferência do motor.

Em usinas elétricas — ou mesmo em pequenos alternadores de modernos automóveis — a função do círculo de fio giratório (rotor) e a do ímã permanente (estator) são invertidas. Dessa forma, o alternador pode ser imaginado essencialmente como um ímã (na prática, um eletroímã), girando dentro de bobinas de fios. Há duas razões principais para que o aparelho seja organizado dessa forma. O calor gerado pelo rotor, como um subproduto da energia elétrica, dificilmente seria removido, o que não acontece com um estator fixo. Além disso, a condução de grandes correntes elétricas através dos anéis e escovas traz problemas graves.

Em máquinas maiores, grande quantidade de calor é gerada através de causas elétricas e mecânicas, tanto no estator como no rotor, havendo a necessidade de se incorporar meios eficientes de refrigeração. Nas máquinas modernas, o estator fixo é refrigerado a água, que corre em tubulações paralelas aos fios condutores, enquanto que a refrigeração do rotor se processa com hidrogênio, um meio eficiente que ajuda a reduzir pesos desnecessários.

Alinhamento dos segmentos da armadura de um gerador. Os terminais das bobinas produtoras de corrente são claramente visíveis.

Atingir uma velocidade de 3.600 rotações por minuto não constitui problema em usinas térmicas onde são utilizadas turbinas a vapor. O rotor é um eletroímã de dois pólos que gira naquela velocidade. A simplicidade desse arranjo mantém uma alta eficiência a um baixo custo de produção. Construído geralmente com aço de grande resistência, o rotor apresenta ranhuras usinadas ao longo de seu comprimento, destinadas a receber as bobinas de campo e seus respectivos tubos de refrigeração a hidrogênio. Quando atingir altas velocidades constitui problema, como nas turbinas mais lentas de certas usinas hidrelétricas, a quantidade de pólos é aumentada. Para a mesma freqüência de saída, quatro pólos permitiriam que a velocidade fosse reduzida a 1.800 rpm; oito pólos, a 900 rpm, e assim por diante.

A essas velocidades, o peso do rotor torna-se menos crítico. Nas máquinas de múltiplos pólos, os rotores tendem a ser maiores em diâmetro e menores no comprimento do que seus equivalentes de dois pólos, facilitando assim a refrigeração. Para manter a mesma voltagem anterior, o número de enrolamento em cada bobina estatora deve ser duplicado ou quadruplicado.

Mecanismo de escovas de um antigo turboalternador Parsons. Construído em 1900, foi utilizado até 1934, gerando 150 kilowatts, a 2.520 rpm. Nesse modelo as bobinas da armadura giravam de modo que a corrente produzida precisava ser transmitida pelas escovas. Para cada anel, há quatro escovas de gase de cobre, duas das quais estão atrás da máquina.

Em ambos os tipos de rotores, a corrente de magnetização tem que ser gerada externamente por outra máquina. Normalmente, o excitador externo é montado no mesmo eixo, girando à mesma velocidade do rotor alternador. O excitador pode gerar corrente alternada que passa então por um retificador, para dar a correr contínua requerida, ou gera desde o início a correr, contínua. Em cada caso, a corrente é normalmente introduzida no rotor do alternados através de escova anéis deslizantes. Isso não representa grandes problemas em pequenos alternadores, pois a potência exigida pelo rotor é relativamente pequena — usualmente cerca de 2% da que é gerada no estator. Mas em máquinas muito grandes, de até 1 000 megawatts, mesmo esses 2% (20 megawatts) constituem uma potência considerável a ser transmitida através dos anéis deslizam.

Por essa razão, as grandes máquinas utiliza excitadores de corrente alternada, com o rotor operar com o gerador, e o estator como fonte de campo magnético — ao contrário do que acontece no alternados principal — de tal forma que a – potência possa ser alienada ao longo do eixo do alternador principal, sem necessidade de anéis. Nesses casos, o eixo deve conter um retificador.

Para que independa de suprimento de energia externa, a corrente contínua necessária ao campo magnético do excitador é, muitas vezes, obtida de um gerador menor, com campo de ímã permanente.

Casa de máquinas de uma usina térmica a carvão. Na caixa amarela menor está o excitador; na maior, um alternador de 500 MW. Atrás, há três carcaças de turbinas: a que está mais longe recebe vapor em alta pressão; a do meio, uma pressão intermediária, que vem da turbina de alta pressão; a mais próxima, o vapor restante. Cada uma delas possui um número diferente de lâminas.

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