O que é um gerador síncrono (alternador)?
Princípio de funcionamento
Um gerador síncrono converte a potência do eixo em corrente alternada trifásica. Uma corrente contínua de campo magnetiza o rotor e os polos em rotação induzem uma FEM E_f nos enrolamentos do estator. O rotor precisa girar exatamente na velocidade síncrona n = 120·f/p; uma máquina de 4 polos a 1500 rpm fornece 50 Hz. Por fase, E_f = V + jXs·I: a tensão nos terminais é a FEM de excitação menos a queda na reatância síncrona, e E_f adianta V pelo ângulo de carga δ. Quase toda a eletricidade do mundo é produzida assim, por turbinas que acionam alternadores.
Operação isolada e regulação de tensão
Quando o alternador alimenta a própria carga, a velocidade define a frequência e a corrente de campo define a tensão, enquanto a carga decide a corrente. Uma carga indutiva, como um motor, torna a reação da armadura desmagnetizante: a tensão cai e é preciso aumentar o campo. Uma carga de fator de potência 1 reduz menos, e uma carga capacitiva magnetiza a máquina e pode elevar a tensão acima do valor em vazio. A regulação de tensão é (E_f − V)/V: positiva para cargas indutivas e negativa para capacitivas.
Operação em paralelo e sincronização
Antes de ligar um alternador à rede, quatro condições devem ser atendidas: tensões iguais, frequências iguais, mesma sequência de fases e ângulo de fase nulo, que o sincronoscópio mostra. Fechar o disjuntor fora de fase causa um grande pico de corrente e um forte choque de torque. Já na rede, tensão e frequência pertencem à barra: o torque da turbina define a potência ativa e a corrente de campo define a reativa. Sobreexcitada, a máquina fornece reativo; subexcitada, absorve.
Ângulo de carga, estabilidade e capabilidade
A potência ativa é P = 3·V·E_f·sen δ / Xs, então δ cresce com a potência da turbina. Em δ = 90° a potência atinge o máximo, cerca de 3·V·E_f/Xs; além disso o rotor escorrega polos e o sincronismo se perde. Um campo mais forte eleva o limite. O diagrama de capabilidade (P–Q) reúne todos os limites: aquecimento do estator (círculo da corrente de armadura), do rotor (círculo da corrente de campo), potência da máquina motriz e limite de estabilidade.
Perguntas frequentes
- Por que a tensão nos terminais cai ao adicionar uma carga indutiva?
- Uma corrente atrasada produz um fluxo de reação da armadura que se opõe ao fluxo do campo e ainda causa queda de tensão na reatância síncrona. Os dois efeitos agem quase na direção de E_f, por isso V cai mais do que com carga de fator de potência 1. Para manter a tensão, aumenta-se a corrente de campo. Uma carga capacitiva faz o contrário e pode elevar a tensão.
- Como se controlam as potências ativa e reativa de um alternador na rede?
- A rede mantém tensão e frequência, então elas não podem ser escolhidas. Abrir a válvula da turbina aumenta o torque no eixo e, com ele, a potência ativa e o ângulo de carga. A corrente de campo muda a potência reativa: aumente para fornecer mais e reduza para absorver. Teste os dois no simulador e acompanhe P e Q no diagrama de capabilidade.
- O que acontece se a potência da turbina for alta demais?
- O ângulo de carga cresce até chegar a 90°, o limite de estabilidade em regime permanente. Além dele, a potência elétrica não equilibra mais a da turbina, o rotor acelera e escorrega polos em relação ao campo da rede, e a máquina precisa ser desligada. Uma corrente de campo maior eleva o limite, por isso uma máquina pouco excitada é a primeira a perder o sincronismo.