Dínamos e geradores eletricos

Chamam-se geradores mecânicos de corrente elétrica, ou dínamos, aos dispositivos que transformam energia mecânica em energia elétrica. Os dínamos se dividem em dois grandes grupos: 1º - Dínamo com corrente contínua É aquele que fornece corrente contínua, isto é, corrente que circula num único sentido. 2º - Dínamo com corrente alternada Também chamado alternador – é aquele que fornece corrente alternada, isto é, corrente que circula num sentido e noutro alternadamente. Princípio de funcionamento Os dínamos funcionam por meio de indução eletromagnética. E esta é sem dúvida a mais importante aplicação do fenômeno de indução. Isso porque esse fenômeno é o único que fornece corrente elétrica com grande energia, como por exemplo, essa corrente que é fornecida para iluminação das cidades e para as indústrias. O princípio de funcionamento dos dínamos em geral, tanto de corrente contínua como de corrente alternada, é a indução eletromagnética num quadro plano que gira num campo magnético unifome. A indução nesse quadro foi estudada no tópico"Indução num Quadro Plano em Rotação num Campo Uniforme". Vimos que, à medida que o quadro gira, ele é percorrido por uma corrente alternada senoidal . Tanto no dínamo de corrente alternada como no de corrente contínua o quadro é percorrido por corrente alternada. A diferença entre eles está na maneira de colher essa corrente para fora do quadro. Essa captação da corrente para fora do quadro é feita por um dispositivo chamado coletor. a. Coletor de corrente alternada Suponhamos que o quadro seja aberto em A e D, e daí sejam tirados dois condutores AB e CD que são ligados a dois anéis, B e D. Encostados a esses anéis existem dois pedaços de carvão (que é condutor), m e n (fig. 322). O circuito externo, R, onde vai ser utilizada a corrente, é ligado a esses pedaços de carvão. À medida que o quadro gira dentro do campo magnético, os anéis giram juntos com ele. Os pedaços de carvão m e n ficam fixos e os anéis ficam raspando neles. A corrente que se produz no quadro passa para os anéis, deste para o carvão e do carvão vai para o circuito externo. É fácil ver que, com esse dispositivo, quando a corrente elétrica muda de sentido no quadro, também muda de sentido no circuito externo, isto é, no circuito externo ela é captada também como alternada. A figura 323 mostra o quadro entre os polos do ímã que produz o campo magnético. Figura 322 Figura 323 Coletor é o nome que se dá ao conjunto dos anéis e pedaços de carvão (fig. 323). Os pedaços de carvão são chamados escovas. b. Coletor de corrente continua Em vez de dois anéis ele se compõe de dois semi-anéis. Cada semi-anel é ligado a uma ponta do quadro girando junto com o quadro. Os pedaços de carvão são fixos, e são ligados ao circuito externo. Quando os semi-anéis giram eles ficam apertados contra os pedaços de carvão (figura acima). Vemos que, em cada meio período, um semi-anel está em contato com um pedaço de carvão diferente. A posição dos carvões é ajustada de tal modo que, no instante em que a corrente muda de sentido no quadro, há troca de contato entre os carvões e os semi-anéis. Desse modo, fora do quadro, a corrente caminha sempre no mesmo sentido, isto é, é contínua.

Tipos de enegias

Energia Física
Dentro deste tipo de energia estão a forças físicas ao nosso redor, como a energia hidráulica, a energia mecânica(qualquer tipo de esforço para movimentar ou erguer um objeto). Dentro desta está também a energia cinética e dinâmica dos corpos.
Energia Química
Aquí se encontram a energia da combustão, a energia de células fotoelétricas e fotovoltaicas, as energias oriundas das reações químicas.
Energia Elétrica
Energia representada pela movimentação de elétrons devido a presença de um campo elétrico. Este campo elétrico pode ter sido gerado pela presença de um campo magnético.
Energia Atômica
Esta é a energia oriunda da divisão do átomo. Ela pode se dar de forma extremamente intensa e pontual (em uma bomba atómica), ou de forma controlada, em usinas termoelétricas nucleares.
A Conversão Entre Energias
Vamos analisar o seguinte fato: em uma hidrelétrica, devido à força da gravidade e a diferença de altura no caminho de um rio gera a energia potencial para suas águas. Estas águas se movem e portanto tem energia cinética e dinâmica. Estar energias compostas se transformam em energia mecânica que movimentam uma turbina. Esta turbina movimenta um eixo que movimenta um dinamo (até agora só falamos de energias mecânicas). Ao ser movimentado, o dinamo gera um campo magnético que gera um campo elétrico que a movimentação de elétrons e assim temos a energia elétrica.
Em uma termoelétrica nuclear a divisão do urânio gera calor que aquece uma caldeira que gera vapor, vapor este que passa por turbinas a vapor. Recapitulando, energia atômica se transformando em energia física (calor) que se transforma em mecânica (vapor movimentando a turbina). Da turbina segue o mesmo caminho da hidrelétrica, ou seja, dinamo e energia elétrica.
Em um trem, temos um motor a diesel, que pela combustão (energia química) movimenta um eixo que movimenta um dinamo que gera energia elétrica, que é transportada para motores elétricos nas rodas, onde nestes motores a energia elétrica é transformada em energia mecânica (para movimentação das rodas).
Toda transformação de um tipo de energia para outro geram perdas irreversíveis. O percetual destas perdas é representado pela Inergia ou Exergia. O estudo desta começa a ficar cada vez mais importante, pois é uma excelente ferramenta para o uso mais eficiente das diversas formas de energia. Por exemplo: temos dois caminhos para chegar no mesmo lugar, o primeiro utiliza a combustão do gás natural, com uma eficiência de 50% para gerar eletricidade e depois esta eletricidade é utilizada para gerar calor com uma eficiência de 90%, onde neste caminho temos uma eficiência global de 45%. O outro caminho é utilizar o mesmo gás natural e levá-lo até o local onde é necessário gerar calor, queimá-lo e gerar este calor necessário, com uma eficiência de 70%. O segundo caminho é direto e portanto a eficiência global é de 70% contra os 45% do primeiro.

Tipos de geradores

Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta. Além dos dois grupos mais gerais - geradores de corrente contínua e de corrente alternada -, os dínamos podem ser, quanto ao número de pólos, dipolares e multipolares; quanto ao enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitação, auto-excitados e de excitação independente.

O enrolamento em anel adotado por Gramme está praticamente em desuso. O enrolamento induzido consiste num cilindro oco em torno do qual se enrola continuamente o fio isolado que constitui a bobina. O enrolamento em tambor, inventado por Siemens, consiste num cilindro em cuja superfície externa estão dispostas as bobinas do induzido.

Essas bobinas são colocadas em ranhuras existentes na superfície do tambor, sendo suas duas pontas soldadas às teclas do coletor. Conforme a maneira como é feita essa ligação, os enrolamentos são classificados em imbricados e ondulados e podem ser regressivos ou progressivos.

A corrente para a excitação do campo magnético pode ser fornecida pelo próprio gerador. Nesse caso, diz-se que o gerador é auto-excitado. Quando a corrente para a excitação é fornecida por uma fonte exterior, o gerador é de excitação independente. De acordo com a forma de ligação entre as bobinas do indutor e do induzido nos geradores auto-excitados, diz-se que estes têm excitação dos tipos:

• série: quando as bobinas excitadoras são constituídas por poucas espiras de fio e ligadas em série com o induzido;
• shunt ou paralelo: quando o indutor e o induzido são ligados em derivação;
• compound: quando existem bobinas excitadoras ligadas em série e em paralelo com o induzido. Este é o tipo de excitação mais comumente usado nos dínamos.

Analogamente aos dínamos, os alternadores podem ter enrolamento imbricado ou ondulado. Podem ainda ter enrolamento em espiral e em cadeia. Naquele, as bobinas de um mesmo grupo são ligadas de tal maneira que o bobinamento final tem forma de espiral. Quanto ao número de fases, os alternadores podem ser monofásicos, difásicos e trifásicos. Os geradores monofásicos são atualmente muito raros, já que a corrente monofásica pode ser obtida a partir de geradores trifásicos.

Ainda se podem citar alguns tipos especiais de dínamos de uso relativamente reduzido: o unipolar ou homopolar, o gerador de três escovas e o de pólo diversor. Em linhas gerais, a construção de dínamos é semelhante à dos alternadores. A principal diferença está no coletor segmentado para retificação da corrente gerada no induzido. Esse dispositivo é inexistente nos alternadores, já que, nesse caso, não há necessidade de se ter uma retificação da corrente gerada.

A outra diferença marcante está no campo indutor. O dínamo emprega o sistema de campo estacionário, enquanto o alternador é quase sempre de campo giratório. Isso torna possível a obtenção de maior potência elétrica, reduz a necessidade de manutenção para assegurar o bom contato entre escovas e anéis coletores e requer meios mais simples para fazer a ligação com o circuito externo.

O dínamo é formado das seguintes partes principais: carcaça, núcleo e peças polares, núcleo do induzido ou armadura, induzido, coletor, escovas, porta-escovas, eixo e mancais. A carcaça é o suporte mecânico da máquina e serve também como cobertura externa. É normalmente construída de aço ou ferro fundido. Os pólos são feitos de aço-silício laminado, para reduzir ao máximo as perdas por corrente de Foucault, e as bobinas de campo são de fios de cobre. A armadura, peça que aloja as bobinas do induzido, é de aço laminado e possui condutores internos por onde se faz o resfriamento da máquina.

O coletor consiste numa série de segmentos de cobre ou bronze fosforoso, isolados entre si por finíssimas lâminas de mica, que têm a forma externa perfeitamente cilíndrica. Ao coletor são soldados os terminais das bobinas do induzido. As escovas, órgãos que coletam a corrente retificada no coletor, são de carvão e grafita ou metal e grafita. O porta-escovas é a armação metálica que mantém ajustadas as escovas de encontro ao coletor.

Os mancais mais usados são os do tipo de luva, lubrificados por óleo, ou então do tipo de esferas ou rolamentos lubrificados a graxa.   No alternador, não existe o coletor. Quando o induzido é giratório, as escovas fazem contato com anéis coletores, a partir das quais a corrente alternada gerada é transferida para o circuito externo.

Quando, ao contrário, o induzido é estacionário (caso mais frequente), o papel dos anéis coletores e escovas é conduzir a corrente contínua necessária para a excitação do campo girante. Nos alternadores de grande porte é comum a instalação, no mesmo eixo do rotor das máquinas, de um gerador de corrente contínua de menores proporções (denominado excitatriz) para o fornecimento dessa corrente.

Principio de funcionamento

O gerador elétrico mais simples é formado por uma espira plana com liberdade suficiente para se mover sob a ação de um campo magnético uniforme. Essa espira gira em torno de um eixo perpendicular à direção das linhas de força do campo magnético aplicado. A variação do valor do fluxo que atravessa a espira móvel induz nela uma força eletromotriz.

Assim, a força eletromotriz resulta do movimento relativo que há entre a espira e o campo magnético. A corrente produzida desse modo é alternada. Para se obter corrente contínua, é preciso dotar o gerador de um dispositivo que faça a retificação da corrente, denominado coletor dos dínamos. Pela descrição do princípio de funcionamento dos geradores, vê-se que possuem dois circuitos distintos: o do induzido e o do indutor. No caso do gerador elementar descrito, o induzido seria a bobina móvel e o indutor o campo magnético.

Histórico de geradores

Os geradores usados na indústria são baseados no mesmo princípio empregado por Faraday e Henry: a indução magnética. O gerador de Faraday consistia num disco de cobre que girava no campo magnético formado pelos pólos de um ímã de ferradura e produzia corrente contínua. Um ano depois, outro pesquisador obteve corrente alternada valendo-se de um gerador com ímãs e enrolamento de fio numa armadura de ferro.

As máquinas elétricas foram desenvolvidas em ritmo acelerado, devido principalmente aos trabalhos de Antonio Pacinotti, Zénobe Gramme, que introduziu o enrolamento em anel, e de Werner Siemens, que inventou o enrolamento em tambor até hoje empregado. Somente cerca de 50 anos depois das experiências de Faraday e Henry foram obtidos geradores comercialmente aproveitáveis. Devem-se tais conquistas às contribuições de Thomas Edison, Edward Weston, Nikola Tesla, John Hopkinson e Charles Francis Brush.

No fim do século XIX, a invenção da lâmpada elétrica e a instalação de um sistema prático de produção e distribuição de corrente elétrica contribuíram para a rápida evolução dos geradores e motores elétricos. A partir de pequenos geradores, simples aparelhos de pesquisa em laboratório, foram construídos alternadores e dínamos de pequena potência e, finalmente, gigantescos geradores.

Gerador eletrico

Em 1831, tanto Michael Faraday, no Reino Unido, como Joseph Henry, nos Estados Unidos, demonstraram cada um a seu modo, mas ao mesmo tempo, a possibilidade de transformar energia mecânica em energia elétrica.

Figura - Gerador de Corrente Alternada

• 1. As duas extremidades da armadura de um gerador de corrente alternada ligam-se a anéis condutores, a que se apóiam escovas de carbono.
• 2. A armadura gira e a corrente flui no sentido anti-horário. A escova do anel A conduz a corrente para fora da armadura, permitindo que uma lâmpada se acenda; o anel B devolve a corrente à armadura.
• 3. Quando a armadura gira paralelamente ao campo magnético, não há geração de corrente.
• 4. Uma fração de segundos depois, a armadura volta a girar paralelamente ao campo magnético, e a corrente inverte seu sentido: a escova do anel coletor B a conduz para fora da armadura e a do anel A a devolve à armadura. 

Embora diversas formas de energia (mecânica, térmica, química etc.) possam ser convertidas em eletricidade, o termo "gerador elétrico" se reserva, na indústria, apenas para as máquinas que convertem energia mecânica em elétrica. Conforme as características da corrente elétrica que produzem, os geradores podem ser de corrente contínua (dínamos) e alternada (alternadores).

Significado de um Dínamo

Dynamo é uma palavra usada para significar simplesmente um gerador elétrico, mas hoje um dínamo se refere a um gerador que produz corrente contínua (DC), utilizando um comutador, um interruptor elétrico que gera eletricidade a partir da força de uma haste de giro. Como qualquer outro gerador, a propósito de um dínamo é a produção de electricidade a partir de energia mecânica. A fonte de energia mecânica poderia ser uma barragem, moinho de vento, ou uma usina de carvão ou petróleo de queima, sendo a última mais comum. Dynamos foram rapidamente substituídos por outros geradores elétricos por causa das vantagens da corrente alternada (CA), as ineficiências do comutador, e métodos de estado sólido para converter AC em DC. 

Um dínamo é um dos mais antigos e mais simples geradores eléctricos, o primeiro usado para gerar energia para a indústria. O famoso inventor Thomas Edison acreditava que o futuro de energia elétrica seria baseada em Washington DC, impulsionada pelo Dínamo, mas descobriu-se que o seu rival excêntrico, Nikola Tesla, foi correta e que a eletricidade seria baseado AC DC ao invés de, efetivamente condenando o dínamo para demonstrações em aulas de ciência da High School. 

O dínamo é fundamentalmente baseado na lei da indução de Faraday, que afirma: "A força eletromagnético induzido ou EMF em qualquer circuito fechado é igual ao tempo taxa de variação do fluxo magnético que liga o circuito." Basicamente, isto significa uma corrente em um circuito fechado pode ser induzida quando a força mecânica é aplicada contra o campo magnético que liga o circuito, como em um gerador, ou vice-versa, como em um motor. O primeiro dínamo que foi baseado na lei de Faraday foi construído em 1832 pelo fabricante de instrumentos francês, Hippolyte Pixii. 

O dínamo conduziu os primeiros passos no uso de eletricidade na indústria. Maiores e maiores dínamos foram construídas, ligadas em série. O dínamo não foi apenas o primeiro gerador elétrico comercialmente úteis, mas também um dos motores do primeiro, que foi descoberto por acidente. Hoje, o dínamo é principalmente lembrado como um dispositivo simples, que mais complexo, mais tarde, dispositivos elétricos foram baseadas, tais como o motor elétrico, o alternador de corrente alternada e conversor rotativo.