Um gerador elétrico é um dispositivo para produzir energia elétrica a partir de outra forma de energia . Em contraste, um dispositivo que consome energia elétrica é chamado de receptor elétrico .
Um gerador real pode ser modelado de duas maneiras diferentes:
O gerador de tensão ideal é um modelo teórico. É um dipolo capaz de impor uma tensão constante qualquer que seja a carga conectada a seus terminais. Também é chamada de fonte de tensão .
Para o gerador de corrente ideal, a corrente produzida é constante, qualquer que seja a tensão solicitada e a carga a ser fornecida. Também é chamada de fonte atual .
É também um modelo teórico porque a abertura de um circuito composto por um gerador de corrente diferente de zero deveria levar ao fornecimento de uma tensão infinita. É impossível colocar dois geradores de corrente de valores diferentes em série porque isso equivale a impor duas correntes diferentes no mesmo fio.
A grande maioria dos geradores elétricos são máquinas rotativas, ou seja, sistemas com uma parte fixa e uma parte móvel que gira na (ou em torno) da parte fixa. No entanto, a variedade de máquinas rotativas criadas ao longo dos séculos implica diferenças significativas nas diferentes tecnologias e técnicas usadas para produzir corrente, por um lado, e nos sistemas 'auxiliares' ( inversores , eletrônica de potência , etc. ) possivelmente necessários para seus funcionamento adequado.
O gerador eletrostático não é uma máquina rotativa, embora use a rotação de um disco esfregando as escovas. No entanto, este conceito está na origem do design das máquinas rotativas.
A máquina eletrostática usa as leis da eletrostática, ao contrário das chamadas máquinas eletromagnéticas . Embora os motores eletrostáticos tenham sido imaginados (eles operam no princípio da reciprocidade dos geradores eletrostáticos), eles não tiveram sucesso (mas as nanotecnologias poderiam oferecer tais “nanomotores” eletrostáticos); por outro lado, como geradores de altíssima tensão, as máquinas eletrostáticas conhecem sua principal aplicação no campo dos aceleradores de íons ou elétrons. Eles transformam energia mecânica em energia elétrica, cujas características são voltagem direta muito alta e microamperagem. A potência das máquinas do XVIII th século e o XIX th século foi realmente pequena (alguns watts) e o atrito mecânico deixou-lhes um desempenho muito pobre. A razão é que a densidade máxima de energia do campo elétrico no ar é muito baixa. As máquinas eletrostáticas só podem ser utilizadas (industrialmente) se operarem em um ambiente onde a densidade de energia do campo elétrico seja bastante elevada, ou seja, praticamente em um gás comprimido, que normalmente é o hidrogênio ou hexafluoreto de enxofre (SF 6 ), em pressões entre 10 e 30 atmosferas .
Um gerador de corrente contínua popularmente chamado de " dínamo " é, como muitos geradores elétricos, uma máquina rotativa. Foi inventado em 1861 pelo húngaro Ányos Jedlik e melhorado em 1871 pelo belga Zénobe Gramme .
Como esta máquina é reversível, ela pode operar tanto como gerador quanto como motor. Torna-se facilmente um motor elétrico, o que implica que, ao ser parado, o dínamo deve ser desconectado de sua carga, se esta lhe puder fornecer uma corrente de retorno: bateria acumuladora , outro dínamo. Esse recurso foi usado em automóveis pequenos na década de 1970. Um sistema de relé conectava a bateria a ela para fornecer corrente ao dinastar, que ligava o motor de combustão interna e automaticamente mudava para um dínamo quando atingia uma determinada velocidade.
A descoberta em 1832 por Faraday dos fenômenos de indução eletromagnética permitiu-lhe considerar a produção de tensões e correntes elétricas alternadas por meio de ímãs . Pixii , por instrução de Ampère , construiu no mesmo ano uma primeira máquina que foi então aperfeiçoada (1833 - 1834) por Sexton e Clarke. Um alternador é uma máquina rotativa que converte a energia mecânica fornecida ao rotor em energia elétrica de corrente alternada.
Mais de 95% da energia elétrica é produzida por alternadores : máquinas eletromecânicas que fornecem tensões alternadas de freqüência proporcional à sua velocidade de rotação. Essas máquinas são mais baratas e têm melhor eficiência do que os dínamos , máquinas que fornecem tensões contínuas (eficiência da ordem de 95% em vez de 85%).
Princípio do alternadorEsta máquina consiste em um rotor (parte giratória) e um estator (parte fixa).
O rotor o indutor pode consistir em um ímã permanente (gerando assim um campo constante), neste caso a tensão fornecida pela máquina não é ajustável (se não levarmos em consideração as perdas nos condutores) e seu valor rms e sua frequência variam com a velocidade de rotação. Mais comumente, um eletroímã fornece indução. Este enrolamento é alimentado em corrente contínua , seja por meio de um anel coletor rotativo (anel duplo com escovas) trazendo uma fonte externa, ou por um diodo rotativo e excitatriz sem escovas. Um sistema de regulação permite o ajuste da tensão ou fase da corrente produzida. O estator a armadura é composta por enrolamentos que serão a sede da corrente elétrica alternada induzida pela variação do fluxo do campo magnético devido ao movimento relativo do indutor em relação à armadura. Diferentes tipos de alternadores Alternadores industriaisNos alternadores industriais, a armadura é composta por três enrolamentos dispostos a 360 ° / 3p (p: número de pares de pólos ) ou 120 ° / 1p para um par de pólos e três enrolamentos, que fornecem um sistema de correntes alternadas trifásicas .
O aumento do número de pares de pólos permite diminuir a velocidade de rotação da máquina. Como a frequência da rede é 50 Hz ( 50 ciclos por segundo, ou 3.000 ciclos por minuto), as máquinas síncronas devem seguir esse ritmo para abastecer a rede. O aumento do número de pólos permite a realização de mais ciclos para uma única rotação e, como a frequência é fixa, a velocidade de rotação deve ser reduzida para respeitar 3.000 ciclos por minuto (em 50 Hz ).
Nos alternadores domésticos ( gerador monofásico), a armadura é composta por um único enrolamento.
Alternadores a bordoOs alternadores de bordo , entre outros em veículos automotores , são alternadores trifásicos dotados de sistema retificador ( diodos ), que fornecem corrente contínua a uma tensão de aproximadamente 14 V para automóveis e 28 V para caminhões , fornecendo a energia elétrica do veículo. e recarregar sua bateria para fornecer energia quando o motor estiver parado. Deve estar associado a um regulador de voltagem protegendo a bateria de sobrecarga.
Os mal denominados "dínamos" das bicicletas são também alternadores, cujo indutor é constituído por um ou mais ímanes permanentes.
Em certos casos, por exemplo em certas turbinas eólicas , o rotor é externo e o estator, fixo, é colocado no centro do gerador. As pás da turbina eólica são conectadas diretamente ao rotor. A turbina eólica é um alternador .
As máquinas assíncronas operando hipersíncronas (frequência de rotação maior que a frequência síncrona) também fornecem energia para a rede elétrica à qual estão conectadas. Eles têm a desvantagem de não poderem regular a tensão , ao contrário de máquinas síncronas que podem garantir a estabilidade das redes elétricas . No entanto, eles são cada vez mais usados em pequenos e médios geradores de energia, como turbinas eólicas e micro-barragens, graças ao recente progresso na eletrônica de potência . Uma das aplicações é a máquina assíncrona de alimentação dupla .
Existem geradores elétricos que não requerem máquina rotativa , tais como:
Outras tecnologias de geradores estão em desenvolvimento sem ainda ter uma aplicação industrial em larga escala: