Considere inicialmente uma bobina constituída por "N" espiras e imersa em campo magnético Produzida por imãs permanentes.(Fig.1) Acionando-se o eixo de rotação, as espiras da bobina cortam as linhas do campo e, pela lei Fundamental: da indução eletromagnética, uma força eletro motriz (f.e.m.) é induzida nos condutores. Literalmente a f.e.m. (E) é diretamente proporcional ao número de espiras da bobina (N), indução do campo magnético: (B), velocidade periférica (v) é comprimento de cada condutor (L).

Matematicamente podemos escrever que E= B.L.v.N
Na fig. 2, o gerador elementar possui 2 pólos fixos e uma bobina "ab" que se movimenta em relação a esses pólos.
A indução magnética produzida pelos imãs permanentes possui distribuição espacial que depende essencialmente da forma de superfície polar (sapata polar). Com configuração adequada da sapata consegue-se maior concentração de induções no centro do pólo e valores menores nas extremidades.
A distribuição senoidais de induções utiliza na construção de geradores, são determinadas pelo desenho conveniente da sapata polar. A bobina "ab" movimenta-se em relação ao campo de induções senoidal, resultando uma f.e.m. induzida também senoidal, ou seja:
E= Bmáx. senwt. N.l.v. = Emáx. senwt
Sendo: Emáx = Bmáx. N. L. v
Nos pontos de máxima indução obtém-se a máxima tensão induzida. Quando as espiras "a" estão sob influência do pólo norte, a polaridade de f.e.m. é contrária a das espiras "b", que se encontra sob o pólo sul. Desta forma, a variação da f.e.m. acompanha em todos os pontos a distribuição de induções e possui polaridade distinta sob os pólos norte e sul.
A ligação dos condutores das "N" espiras é realizada de maneira que a tensão nos condutores "a" é somada à dos condutores "b" ou seja:
Vab = Va + Vb
Cada giro das espiras corresponde a um ciclo completo da tensão gerada. Para que a tensão gerada seja de 60 Hz, é necessário que a espira gire 60 vezes em 1 segundo, ou ainda, 3.600 rotações por minuto (rpm). Na fig. 4 encontra-se um gerador para quatro polos observe que para quatro pôlos, a cada volta completa a espira excursiona sob dois pólos norte e dois pólos sul, gerando dois ciclos. Portanto para a geração de 60 Hz é necessário que a espira gire 30 vezes em 1 segundo ou seja 1.800 rpm.
Generalizando o raciocínio, pode-se concluir que para um gerador com "P" pares de pólos girando a n rotações por minuto a freqüência de f.e.m. induzida em hertz (Hz) é determinada por:
Exemplo 1: Determinar a freqüência da tensão induzida em gerador de 12 pólos na rotação de 600 rpm.
Solução: Dados: P = 6 pares de pólos (12 pólos) n = 600 rpm então:
Exemplo 2 : Nos geradores para avião a jato que operam na freqüência de 400 Hz, determinar o número de pólos necessários para obtenção dessa freqüência, sabendo que a turbina que aciona esse gerador gira a 24.000 rpm.
Solução: Dados: f = 400 Hz n = 24.000 rpm então:
Portanto: p = 1 par de pólos Concluído: número de pólos = 2p = 2 pólos
Geradores Síncronos Trifásicos Elementares
O gerador trifásico é constituído por três bobinas com o mesmo número de espiras, dispostas simetricamente no espaço, formando entre si um ângulo de 120º, conforme mostra a fig.5a. As bobinas inicialmente são independentes, não possuindo ligação entre si. A nomenclatura dos terminais da bobina é definida por P1, F1, F2, P3, F3, respectivamente princípios e fim das bobinas 1, 2 e 3.
A distribuição de campo de indução magnética, produzido pelos imãs permanentes é exatamente a mesma do gerador monofásico.
Nas bobinas 1, 2 e 3 são geradas tensões iguais, pois possuem o mesmo número de espiras, as mesmas dimensões geométricas e são submetidas a um único campo de induções, possuindo apenas uma defasagem entre si de 120º no tempo, em função da posição espacial que ocupam.
Cada bobina é uma fase e, observando-se a fig.5b nota-se que a f.e.m. gerada nas fases são idênticas e defasadas de 120º no tempo.
Geradores Síncronos Trifásicos de Pólos Fixos
Aspectos Construtivos
O gerador síncrono trifásico é construído nas configurações de pólos fixos e pólos rotativos. Os geradores de pequena potência são construídos com pólos e os de maior potência com pólos rotativos. A potência nominal, por esse motivo as tensões e correntes de excitação têm valores bem inferiores aos valores de armadura.
Devido a baixa potência de excitação e maior facilidade de isolação do enrolamento da armadura, a construção com pólos rotativos é utilizada na maioria dos casos. A alternativa de pólos fixos só é utilizada em baixas potências devido à sua simplicidade construtiva. A fig.6 mostra um corte no gerador de 2 pólos fixos, indicando a nomenclatura das partes essenciais.
A tensão induzida é gerada em condutores alojados numa peça de ferro denominada de induzido ou armadura.
Os imãs permanentes da descrição do gerador elementar são substituídos por peças de ferro e bobinas de excitação, que se comportam como eletroímãs.
Os pólos são fundidos em peças únicos ou construídos com chapas laminadas empacotadas sob pressão.
O rotor é constituído por pacotes de chapas laminadas de ferro com impurezas de silícios a fim de reduzir as perdas no ferro durante o funcionamento.
Nas ranhuras ou canais estão dispostas as bobinas que constituem as três fases para o gerador trifásico ou apenas uma fase para o monofásico. Através das escovas e anéis coletores é retirada a tensão gerada para alimentar a carga.
Funcionamento do Gerador Sem Carga. (em vazio)
Alimentando-se as bobinas dos pólos com fonte de c.c. obtém-se o campo magnético que depende da corrente de excitação. As bobinas são dispostas de modo a gerar idêntico número de pólos norte e sul. As linhas de campo atravessam o entreferro, o rotor fecha-se pela coroa. Acionando-se o eixo da armadura as bobinas cortam as linhas de campo, gerando uma tensão alternada monofásica ou trifásica.
Em alternadores trifásicos as bobinas das fases são conectadas em estrela ou triângulo, conforme mostra os esquemas da fig.7.
As características principais das ligações são as seguintes:
Ligações Estrela:
VL = 1,73 . Vf (Tensão de Linha = 1,73 . tensão de fase)
IL = If (Corrente de linha = corrente de fase)
Ligações Triângulo: Vl = Vf (tensão de linha = tensão de fase)
IL = 1,73 . If (corrente de linha = 1,73 . corrente de fase)
Resumindo o exposto, a tensão gerada depende da intensidade das induções de campo magnético e, para geradores com eletroímãs, da corrente que circula nas bobinas de campo ou corrente de excitação (Iex).
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