Como um gerador gera eletricidade? Como funcionam os geradores

31 maio Como um gerador gera eletricidade? Como funcionam os geradores

Os geradores de energia são aparelhos úteis que fornecem energia elétrica durante uma queda de energia e evitam a descontinuidade das atividades diárias ou a interrupção das operações comerciais.

Os geradores estão disponíveis em diferentes configurações elétricas e físicas para uso em diferentes aplicações.

Nas seções a seguir, veremos como funciona um gerador, os principais componentes de um gerador e como um gerador opera como uma fonte secundária de energia elétrica em aplicações residenciais e industriais.

Como funciona um gerador?

Um gerador elétrico é um dispositivo que converte energia mecânica obtida de uma fonte externa em energia elétrica como a saída.
É importante entender que um gerador realmente não “cria” energia elétrica.

Em vez disso, ele usa a energia mecânica fornecida a ele para forçar o movimento de cargas elétricas presentes no fio de seus enrolamentos através de um circuito elétrico externo.

Este fluxo de cargas elétricas constitui a corrente elétrica de saída fornecida pelo gerador. Esse mecanismo pode ser entendido considerando-se que o gerador é análogo a uma bomba de água, que causa o fluxo de água, mas que na verdade não “cria” a água que flui através dele.

O gerador moderno trabalha com o princípio da indução eletromagnética descoberto por Michael Faraday em 1831-32.

Faraday descobriu que o fluxo de cargas elétricas acima poderia ser induzido pela movimentação de um condutor elétrico, como um fio que contém cargas elétricas, em um campo magnético.

Esse movimento cria uma diferença de tensão entre as duas extremidades do fio ou do condutor elétrico, o que, por sua vez, faz com que as cargas elétricas fluam, gerando corrente elétrica.

Principais componentes de um gerador

Os componentes principais de um gerador elétrico podem ser classificados de forma ampla como segue (consulte a ilustração acima):

(1) Motor
(2) Alternador
(3) Sistema de Combustível
(4) Regulador de Tensão
(5) Sistemas de Refrigeração e Exaustão
(6) Sistema de Lubrificação
(7) Carregador de Bateria
(8) Painel de Controle
(9)

Uma descrição dos principais componentes de um gerador é fornecida abaixo.

(1) Motor
O motor é a fonte da energia mecânica de entrada para o gerador. O tamanho do motor é diretamente proporcional à potência máxima que o gerador pode fornecer.

Existem vários fatores que você precisa ter em mente ao avaliar o motor do seu gerador. O fabricante do motor deve ser consultado para obter especificações completas da operação do motor e programações de manutenção.

(a) Tipo de Combustível Usado – Os motores geradores operam com uma variedade de combustíveis, como diesel, gasolina, propano (em forma líquida ou gasosa) ou gás natural.

Motores menores geralmente operam com gasolina, enquanto motores maiores funcionam com diesel, propano líquido, gás propano ou gás natural.

Certos motores também podem operar com alimentação dupla de diesel e gás em um modo de operação bicombustível.

(b) Motores com Válvula Aérea (OHV) versus Motores não OHV – Os motores OHV diferem dos demais motores, pois as válvulas de admissão e escape do motor estão localizadas na cabeça do cilindro do motor, em vez de estarem montadas no bloco do motor. Os motores OHV têm várias vantagens sobre outros motores, como:

• Design compacto
• Mecanismo de operação mais simples
• Durabilidade
• Fácil de usar nas operações
• Baixo ruído durante as operações
• Baixos níveis de emissão

No entanto, os motores OHV também são mais caros que outros motores.

(c) Manga de Ferro Fundido (CIS) no Cilindro do Motor – O CIS é um revestimento no cilindro do motor. Reduz o desgaste e garante a durabilidade do motor.

A maioria dos motores OHV é equipada com CIS, mas é essencial verificar esse recurso no motor de um gerador. O CIS não é um recurso caro, mas desempenha um papel importante na durabilidade do motor, especialmente se você precisar usar seu gerador com freqüência ou por longos períodos.

(2) Alternador
O alternador, também conhecido como ‘genhead’, é a parte do gerador que produz a saída elétrica da entrada mecânica fornecida pelo motor. Ele contém um conjunto de peças estacionárias e móveis encaixadas em um alojamento. Os componentes trabalham juntos para causar movimento relativo entre os campos magnético e elétrico, o que, por sua vez, gera eletricidade.

(a) Estator – este é o componente estacionário. Ele contém um conjunto de condutores elétricos enrolados em bobinas sobre um núcleo de ferro.

(b) Rotor / Armadura – Este é o componente móvel que produz um campo magnético rotativo em qualquer uma das três maneiras a seguir:

(i) Por indução – Estes são conhecidos como alternadores sem escovas e são normalmente usados ​​em grandes geradores.
(ii) Por ímãs permanentes – Isso é comum em pequenas unidades de alternador.
(iii) Usando um excitador – Um excitador é uma pequena fonte de corrente contínua (DC) que energiza o rotor através de um conjunto de anéis coletores e escovas condutores.

O rotor gera um campo magnético móvel ao redor do estator, o que induz uma diferença de tensão entre os enrolamentos do estator. Isso produz a saída de corrente alternada (CA) do gerador.

A seguir estão os fatores que você precisa ter em mente ao avaliar o alternador de um gerador:

(a) Alojamento de metal versus plástico – Um design todo em metal garante a durabilidade do alternador. As caixas de plástico se deformam com o tempo e fazem com que as partes móveis do alternador sejam expostas. Isso aumenta o desgaste e, mais importante, é perigoso para o usuário.

(b) Rolamentos de esferas versus rolamentos de agulha – Os rolamentos de esferas são preferidos e duram mais.

(c) Projeto sem escova – Um alternador que não usa escovas requer menos manutenção e também produz energia mais limpa.

(3) Sistema de Combustível
O tanque de combustível geralmente tem capacidade suficiente para manter o gerador elétrico operacional por 6 a 8 horas em média. No caso de unidades geradoras pequenas, o tanque de combustível é uma parte da base de deslizamento do gerador ou é montado no topo da estrutura do gerador.

Para aplicações comerciais, pode ser necessário erguer e instalar um tanque de combustível externo.

Todas essas instalações estão sujeitas à aprovação da Divisão de Planejamento Urbano. Clique no link a seguir para obter mais detalhes sobre os tanques de combustível para geradores .

Características comuns do sistema de combustível incluem o seguinte:

(a) Conexão do tubo do tanque de combustível ao motor – A linha de fornecimento direciona o combustível do tanque para o motor e a linha de retorno direciona o combustível do motor para o tanque.

(b) Tubo de ventilação para tanque de combustível – O tanque de combustível possui um tubo de ventilação para evitar o acúmulo de pressão ou vácuo durante o reabastecimento e a drenagem do tanque. Quando você reabastecer o tanque de combustível, assegure-se de que haja contato metal-metal entre o bico de abastecimento e o tanque de combustível para evitar faíscas.

(c) Conexão de transbordamento do tanque de combustível para o tubo de drenagem – Isso é necessário para que qualquer transbordo durante o reabastecimento do tanque não cause derramamento do líquido no grupo gerador.

(d) Bomba de combustível – Transfere o combustível do tanque de armazenamento principal para o tanque diário. A bomba de combustível é tipicamente operada eletricamente.

(e) Separador de Água de Combustível / Filtro de Combustível – Separa a água e matérias estranhas do combustível líquido para proteger outros componentes do gerador da corrosão e contaminação.

(f) Injetor de Combustível – Isso atomiza o combustível líquido e borrifa a quantidade necessária de combustível na câmara de combustão do motor.

(4) Regulador de tensão
Como o nome indica, este componente regula a tensão de saída do gerador. O mecanismo é descrito abaixo contra cada componente que desempenha um papel no processo cíclico de regulação de tensão.

(1) Regulador de Tensão: Conversão de Voltagem AC para Corrente DC – O regulador de tensão ocupa uma pequena porção da saída de corrente alternada do gerador e converte-a em corrente contínua.

O regulador de tensão então alimenta essa corrente CC para um conjunto de enrolamentos secundários no estator, conhecidos como enrolamentos do excitador.

(2) Enrolamentos do Excitador: Conversão da Corrente DC para Corrente AC – Os enrolamentos do excitador funcionam agora de forma similar aos enrolamentos do estator primário e geram uma corrente CA pequena. Os enrolamentos do excitador são conectados a unidades conhecidas como retificadores giratórios.

(3) Retificadores Giratórios: Conversão da Corrente CA para Corrente CC – Eles retificam a corrente CA gerada pelos enrolamentos da excitatriz e a convertem em corrente CC. Esta corrente CC é alimentada ao rotor / armadura para criar um campo eletromagnético além do campo magnético rotativo do rotor / armadura.

(4) Rotor / Armadura: Conversão da Corrente DC para Tensão CA – O rotor / armadura agora induz uma maior tensão CA através dos enrolamentos do estator, que o gerador agora produz como uma tensão AC de saída maior.

Este ciclo continua até que o gerador comece a produzir uma tensão de saída equivalente à sua capacidade operacional total.

À medida que a saída do gerador aumenta, o regulador de tensão produz menos corrente CC. Uma vez que o gerador atinja a capacidade operacional total, o regulador de tensão atinge um estado de equilíbrio e produz apenas corrente CC suficiente para manter a saída do gerador em nível operacional total.

Quando você adiciona uma carga a um gerador, sua voltagem de saída diminui um pouco. Isso aciona o regulador de tensão e o ciclo acima é iniciado. O ciclo continua até que a saída do gerador suba até sua capacidade operacional total original.

(5) Sistemas de resfriamento e exaustão
(a) Sistema de resfriamento 
O uso contínuo do gerador de energia faz com que seus vários componentes sejam aquecidos. É essencial ter um sistema de refrigeração e ventilação para retirar o calor produzido no processo.

Água é usada às vezes como uma forma para esfriar os geradores de energia, mas estes são principalmente limitados a situações específicas como pequenos geradores em aplicações urbanas ou unidades muito grandes com mais de 2250 kW ou mais.

O hidrogênio é usado às vezes como um refrigerante para os enrolamentos do estator de grandes unidades geradoras, uma vez que é mais eficiente na absorção de calor do que outros refrigerantes.

O hidrogênio remove o calor do gerador e o transfere através de um trocador de calor para um circuito secundário de resfriamento que contém água desmineralizada como refrigerante.

É por isso que os geradores muito grandes e as usinas pequenas costumam ter grandes torres de resfriamento próximas a elas. Para todas as outras aplicações comuns, tanto residenciais quanto industriais, um radiador e ventilador padrão é montado no gerador de energia elétrica e funciona como o principal sistema de resfriamento.

É essencial verificar os níveis de refrigerante do gerador diariamente.

O sistema de resfriamento e a bomba de água bruta devem ser lavados a cada 600 horas e o trocador de calor deve ser limpo a cada 2.400 horas de operação do gerador. O gerador de energia deve ser colocado em uma área aberta e ventilada que tenha suprimento adequado de ar fresco.

O National Electric Code (NEC) exige que um espaço mínimo de 3 pés seja permitido em todos os lados do gerador para garantir o livre fluxo de ar de resfriamento.

(b) Sistema de Exaustão

Os gases de escapamento emitidos por um gerador são semelhantes aos gases de escape de qualquer outro motor a diesel ou a gasolina e contêm produtos químicos altamente tóxicos que precisam ser gerenciados adequadamente.

Portanto, é essencial instalar um sistema de exaustão adequado para descartar os gases de exaustão.

Este ponto não pode ser enfatizado o suficiente, pois o envenenamento por monóxido de carbono continua sendo uma das causas mais comuns de morte em áreas afetadas após o furacão, porque as pessoas tendem a não pensar nisso até que seja tarde demais.

Tubos de escape geralmente são feitos de ferro fundido, ferro forjado ou aço.

Estes precisam estar independentes e não devem ser suportados pelo motor do gerador. Normalmente, os tubos de escape são conectados ao motor usando conectores flexíveis para minimizar as vibrações e evitar danos ao sistema de exaustão do gerador.

O tubo de escape termina no exterior e conduz para longe das portas, janelas e outras aberturas da casa ou edifício. Você deve garantir que o sistema de escape do seu gerador não esteja conectado ao de qualquer outro equipamento.

Você também deve consultar as leis municipais locais para determinar se a operação do gerador precisará obter a aprovação das autoridades locais para garantir que você esteja em conformidade com as leis locais e que proteja contra multas e outras penalidades.

(6) Sistema de Lubrificação
Como o gerador compreende partes móveis em seu motor, requer lubrificação para garantir durabilidade e operações suaves por um longo período de tempo.

O motor do gerador é lubrificado por óleo armazenado em uma bomba. Você deve verificar o nível de óleo lubrificante a cada 8 horas de operação do gerador. Você também deve verificar se há vazamentos de lubrificante e trocar o óleo lubrificante a cada 500 horas de operação do gerador.

(7) Carregador de bateria
A função de partida de um gerador é operada por bateria. O carregador de bateria mantém a bateria do gerador carregada, fornecendo-lhe uma voltagem “flutuante” precisa.

Se a tensão de flutuação for muito baixa, a bateria permanecerá sub-carregada. Se a tensão de flutuação for muito alta, ela diminuirá a vida útil da bateria.

Carregadores de bateria são geralmente feitos de aço inoxidável para evitar a corrosão. Eles também são totalmente automáticos e não exigem ajustes ou configurações a serem alteradas. A tensão de saída CC do carregador de bateria é ajustada em 2,33 Volts por célula, que é a tensão de flutuação precisa para baterias de chumbo-ácido. O carregador de bateria tem uma saída de tensão DC isolada que interfere com o funcionamento normal do gerador.

(8) Painel de Controle
Esta é a interface do usuário do gerador e contém provisões para tomadas elétricas e controles.

Diferentes fabricantes têm recursos variados para oferecer nos painéis de controle de suas unidades. Alguns destes são mencionados abaixo.

(a) Partida e parada elétricas – Os painéis de controle de partida automática ligam o gerador automaticamente durante uma queda de energia, monitoram o gerador enquanto em operação e desligam automaticamente a unidade quando não são mais necessários.

(b) Medidores do motor – Diferentes indicadores indicam parâmetros importantes, como pressão do óleo, temperatura do líquido refrigerante, voltagem da bateria, velocidade de rotação do motor e duração da operação. A medição e o monitoramento constantes desses parâmetros permitem o desligamento interno do gerador quando algum deles cruza seus respectivos níveis de limiar.

(c) Medidores de gerador – O painel de controle também possui medidores para a medição de corrente e tensão de saída e freqüência de operação.

(d) Outros controles – chave seletora de fase, chave de freqüência e chave de controle do motor (modo manual, modo automático), entre outros.

(9) Main Assembly / Frame
Todos os geradores, portáteis ou estacionários, possuem caixas personalizadas que fornecem um suporte de base estrutural. O quadro também permite que os gerados sejam aterrados por segurança.