A máquina elétrica pode ser definida como um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica ou energia mecânica em energia elétrica. A gerador elétrico pode ser definida como uma máquina elétrica que converte energia mecânica em energia elétrica. Um gerador elétrico normalmente consiste em duas partes de estator e rotor. Existem vários tipos de geradores elétricos, como geradores de corrente contínua, geradores de corrente alternada, geradores veiculares, geradores elétricos movidos a energia humana e assim por diante. Neste artigo, vamos discutir sobre o princípio de funcionamento do gerador síncrono.
Gerador síncrono
As partes rotativas e estacionárias de uma máquina elétrica podem ser chamadas de rotor e estator, respectivamente. O rotor ou estator das máquinas elétricas atua como um componente gerador de energia e é chamado de armadura. Os eletroímãs ou ímãs permanentes montados no estator ou rotor são usados para fornecer campo magnético de uma máquina elétrica. O gerador no qual o ímã permanente é usado em vez da bobina para fornecer campo de excitação é denominado como gerador síncrono de ímã permanente ou também simplesmente chamado de gerador síncrono.
Construção do gerador síncrono
Em geral, o gerador síncrono consiste em duas partes de rotor e estator. A parte do rotor consiste em pólos de campo e a parte do estator consiste em condutores de armadura. A rotação dos pólos de campo na presença de condutores de armadura induz um voltagem alternada que resulta na geração de energia elétrica.
Construção do gerador síncrono
A velocidade dos pólos de campo é a velocidade síncrona e é dada por
Onde, 'f' indica frequência de corrente alternada e 'P' indica o número de pólos.
Princípio de funcionamento do gerador síncrono
O princípio de operação do gerador síncrono é a indução eletromagnética. Se houver um movimento relativo entre o fluxo e os condutores, então uma fem é induzida nos condutores. Para entender o princípio de funcionamento do gerador síncrono, vamos considerar dois pólos magnéticos opostos entre eles, uma bobina retangular ou volta é colocada como mostrado na figura abaixo.
Condutor retangular colocado entre dois pólos magnéticos opostos
Se a volta retangular girar no sentido horário contra o eixo a-b como mostrado na figura abaixo, então, após completar a rotação de 90 graus, os lados do condutor AB e CD ficam na frente do pólo S e do pólo N, respectivamente. Assim, agora podemos dizer que o movimento tangencial do condutor é perpendicular às linhas de fluxo magnético do pólo norte ao sul.
Direção de rotação do condutor perpendicular ao fluxo magnético
Então, aqui a taxa de corte de fluxo pelo condutor é máxima e induz corrente no condutor, a direção da corrente induzida pode ser determinada usando Regra da mão direita de Fleming . Assim, podemos dizer que a corrente vai passar de A para B e de C para D. Se o condutor for girado no sentido horário por mais 90 graus, então ele chegará à posição vertical, conforme mostrado na figura abaixo.
Sentido de rotação do condutor paralelo ao fluxo magnético
Agora, a posição do condutor e as linhas de fluxo magnético são paralelas entre si e, portanto, nenhum fluxo está cortando e nenhuma corrente será induzida no condutor. Então, enquanto o condutor gira do sentido horário por mais 90 graus, a volta retangular chega à posição horizontal, conforme mostrado na figura abaixo. De forma que os condutores AB e CD estão sob o pólo N e o pólo S respectivamente. Ao aplicar a regra da mão direita de Fleming, a corrente induz no condutor AB do ponto B ao A e a corrente induz em um condutor CD do ponto D ao C.
Assim, a direção da corrente pode ser indicada como A - D - C - B e a direção da corrente para a posição horizontal anterior da curva retangular é A - B - C - D. Se a curva for novamente girada para a posição vertical, então o a corrente induzida novamente se reduz a zero. Assim, por uma revolução completa de volta retangular, a corrente no condutor atinge o máximo e se reduz a zero e, então, na direção oposta, atinge o máximo e novamente chega a zero. Portanto, uma revolução completa da volta retangular produz uma onda senoidal completa de corrente induzida no condutor que pode ser denominado como a geração de corrente alternada girando uma volta dentro de um campo magnético.
Agora, se considerarmos um gerador síncrono prático, os ímãs de campo giram entre os condutores da armadura estacionária. O rotor do gerador síncrono e o eixo ou as lâminas da turbina são mecanicamente acoplados um ao outro e giram em velocidade síncrona. Assim, o fluxo magnético o corte produz uma fem induzida que causa o fluxo de corrente nos condutores da armadura. Assim, para cada enrolamento, a corrente flui em uma direção para o primeiro meio ciclo e a corrente flui na outra direção para o segundo meio ciclo com um lapso de tempo de 120 graus (conforme eles se deslocaram em 120 graus). Portanto, a potência de saída do gerador síncrono pode ser mostrada conforme a figura abaixo.
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