Geradores e Dínamos

Desenvolvimento e História do componente que tornou a electricidade comercialmente viável

Dínamos e Geradores convertem a rotação mecânica em energia eléctrica.

Dínamo – um dispositivo que torna a energia eléctrica em corrente contínua utilizando o electromagnetismo. É também conhecido como gerador, contudo o termo gerador refere-se normalmente a um “alternador” que cria energia em corrente alternada.

Gerador – normalmente este termo é usado para descrever um alternador que cria energia CA utilizando o electromagnetismo.

Geradores, Dínamos e Baterias são as três ferramentas necessárias para criar/armazenar quantidades substanciais de electricidade para uso humano. As baterias podem ter sido descobertas já em 248 AC. Elas simplesmente usam a reação química para fazer e armazenar eletricidade. Os cientistas fizeram experiências com a bateria para inventar as primeiras lâmpadas incandescentes, motores eléctricos e comboios, e testes científicos. No entanto, as baterias não eram confiáveis ou econômicas para qualquer uso elétrico regular, foi o dínamo que mudou radicalmente a eletricidade de uma curiosidade para uma tecnologia lucrativa e confiável.

1. como funciona
2. breve história dos dínamos e geradores
3. vídeos de geradores

1.) Como Funciona:

Basic:

Primeiro você precisa de uma fonte de energia mecânica como uma turbina (alimentada por queda de água), turbina eólica, turbina a gás ou turbina a vapor. Um eixo de um destes dispositivos é conectado a um gerador para fazer energia.

Dynamos e geradores trabalham usando o fenômeno complexo selvagem do eletromagnetismo. Compreender o comportamento do eletromagnetismo, seus campos e seus efeitos é um grande assunto de estudo. Há uma razão pela qual levou 60 anos DEPOIS da primeira bateria de Volta para que um bom e poderoso dínamo funcionasse. Vamos manter as coisas simples para ajudá-lo a introduzir o interessante assunto da geração de energia.

No sentido mais básico um gerador/dínamo é um ímã girando enquanto dentro da influência do campo magnético de outro ímã. Você não pode ver um campo magnético, mas ele é muitas vezes ilustrado usando linhas de fluxo. Na ilustração acima, as linhas de fluxo magnético seguiriam as linhas criadas pelos limalhas de ferro.

O gerador/dínamo é composto por ímãs estacionários (estator) que criam um poderoso campo magnético, e um ímã rotativo (rotor) que distorce e corta através das linhas magnéticas de fluxo do estator. Quando o rotor corta através das linhas de fluxo magnético faz electricidade.

Mas porquê?

Due to Faraday’s Law of Induction if you take a wire and move it back and forth in a magnetic field, the field pushes on electrons in the metal. O cobre tem 27 elétrons, os dois últimos na órbita são facilmente empurrados para o próximo átomo. Este movimento dos elétrons é um fluxo elétrico.

Veja o vídeo abaixo mostrando como a corrente é induzida num fio:

Se você pegar um monte de fio, como numa bobina e movê-lo no campo, você cria um “fluxo” de elétrons mais poderoso. A força do seu gerador depende de:

“l”-Comprimento do condutor no campo magnético
“v”-Velocidade do condutor (velocidade do rotor)
“B”-Força do campo eletromagnético

Pode fazer cálculos usando esta fórmula: e = B x l x v

Veja o vídeo para ver tudo isto demonstrado:

Sobre os ímanes:

Acima: um simples electroíman referido como solenóide. O termo “solenóide” na verdade descreve a forma tubular criada pelo fio enrolado.

Os ímãs geralmente não são feitos de magnetita natural ou um ímã permanente (a menos que seja um pequeno gerador), mas são fios de cobre ou alumínio enrolados em torno de um núcleo de ferro. Cada bobina deve ser energizada com alguma energia para transformá-la em um ímã. Esta bobina ao redor do ferro é chamada de solenóide. Solenóides são utilizados em vez de magnetita natural porque o solenóide é MUITO mais potente. Um pequeno solenóide pode criar um campo magnético muito forte.

Acima: As bobinas de fio nos geradores devem ser isoladas. A falha do gerador é causada por temperaturas muito altas, o que resulta em uma quebra do isolamento e um curto-circuito entre os fios paralelos. Saiba mais sobre os fios >

Terms:
Electromagnetismo – estudo das forças que ocorrem entre partículas carregadas eletricamente
Rotor – parte do gerador de dínamo que gira
Armatura – igual a um rotor
Fluxo – as linhas de força em um campo magnético, é medido em densidade, SI unidade de weber
Estator – ímãs em um gerador/dínamo que não se movem, eles estabelecem o campo magnético estacionário
Solenóide – um ímã criado por uma bobina de fio em torno de um núcleo de ferro/ferrisco (solenóide tecnicamente significa a forma deste ímã, mas os engenheiros se referem ao solenóide e eletroímã de forma intercambiável.
Comutador – Saiba mais detalhes sobre eles aqui
Torque – força em movimento rotacional

O Dínamo

Dínamo é um termo mais antigo usado para descrever um gerador que faz corrente contínua de energia. A energia DC envia elétrons em apenas uma direção. O problema com um gerador simples é que quando o rotor gira ele eventualmente gira completamente, revertendo a corrente. Os primeiros inventores não sabiam o que fazer com essa corrente alternada, a corrente alternada é mais complexa para controlar e projetar motores e luzes. Os primeiros inventores tinham que descobrir uma forma de capturar apenas a energia positiva do gerador, por isso inventaram um comutador. O comutador é um interruptor que permite que a corrente flua apenas em uma direção.

Veja o vídeo abaixo para ver como funciona o comutador:

O Dínamo consiste em 3 componentes principais: o estator, a armadura e o comutador.

As escovas fazem parte do comutador, as escovas devem conduzir a electricidade como o contacto permanente com a armadura rotativa. As primeiras escovas eram “escovas” de arame feito de pequenos fios. Estas se desgastaram facilmente e desenvolveram blocos gráficos para fazer o mesmo trabalho.

O estator é uma estrutura fixa que faz campo magnético, você pode fazer isso em um pequeno dínamo usando um ímã permanente. Os dínamos grandes requerem um eletroímã. A armadura é feita de enrolamentos de cobre enrolado que giram dentro do campo magnético feito pelo estator. Quando os enrolamentos se movem, eles cortam as linhas do campo magnético. Isto cria impulsos de energia eléctrica. O comutador é necessário para produzir corrente contínua. Em corrente contínua, a energia flui em apenas uma direção através de um fio, o problema é que a armadura rotativa em um dínamo inverte a corrente a cada meia volta, então o comutador é um interruptor rotativo que desconecta a energia durante a parte de corrente invertida do ciclo.

Self excitação:

Desde que os ímanes de um dínamo sejam solenóides, têm de ser alimentados para funcionar. Assim, para além das escovas que ligam a energia para sair para o circuito principal, existe outro conjunto de escovas para tirar a energia da armadura para alimentar os ímanes do estator. Isso é bom se o dínamo estiver funcionando, mas como iniciar um dínamo se você não tem energia para iniciar?

Por vezes a armadura retém algum magnetismo no núcleo do ferro, e quando começa a girar faz uma pequena quantidade de energia, suficiente para excitar os solenóides no estator. A tensão começa então a subir até o dínamo estar na potência máxima.

Se já não houver magnetismo no ferro da armadura, então muitas vezes é utilizada uma bateria para excitar os solenóides do dínamo para o iniciar. Isto é chamado de “field flashing” (piscar do campo).

Below na discussão da cablagem do dínamo você notará como a energia é encaminhada através dos solenóides de forma diferente.

Existem duas formas de ligação de um dínamo: ligação em série e ligação em derivação. Veja os diagramas para aprender a diferença.

Below, vídeo de um pequeno dínamo simples semelhante aos diagramas acima (construído nos anos 1890s):

O Gerador

O gerador difere do dínamo na medida em que produz energia CA. Os elétrons fluem em ambas as direções em energia CA. Só nos anos 1890 é que os engenheiros descobriram como projetar motores potentes, transformadores e outros dispositivos que pudessem usar energia CA de uma forma que pudesse competir com energia CC.

Embora o alternador utilize comutadores, o gerador utiliza um anel deslizante com escovas para retirar a potência do rotor. Ao anel deslizante estão associadas “escovas” de grafite ou de carbono que são carregadas por mola para empurrar a escova para o anel. Isto mantém a energia a fluir de forma consistente. As escovas se desgastam com o tempo e precisam ser substituídas.

Below, vídeo de anéis deslizantes e escovas, muitos exemplos do velho ao novo:

Desde a época de Gramme na década de 1860, descobriu-se que a melhor maneira de construir um dínamo/gerador era arranjar bobinas magnéticas em torno de um círculo largo, com uma armadura giratória larga. Isto parece diferente dos simples exemplos de dínamos pequenos que você vê usados no ensino de como os dispositivos funcionam.

Na foto abaixo você verá claramente uma bobina na armadura (as demais foram removidas para manutenção) e outras bobinas embutidas no estator.

Desde a década de 1890 até hoje a energia CA trifásica tem sido a forma padrão de energia. Três fases são feitas através do projeto do gerador.

Para fazer um gerador trifásico você tem que colocar um certo número de ímãs em seu estator e armadura, todos com espaçamento adequado. O eletromagnetismo é tão complexo quanto lidar com ondas e água, então você precisa saber como controlar o campo através do seu projeto. Os problemas incluem ter seu ímã desigualmente atraído para o núcleo do ferro, cálculos inadequados da distorção do campo magnético (quanto mais rápido ele gira, mais o campo é distorcido), resistência espúria nas bobinas da armadura, e uma miríade de outros problemas potenciais.

Por que 3 fases? se você quiser saber mais sobre fases e por que usamos 3 fases, veja nosso vídeo com o pioneiro da transmissão de energia Lionel Barthold.

2). Uma Breve História de Dínamos e Geradores:

O gerador evoluiu do trabalho de Michael Faraday e Joseph Henry na década de 1820. Uma vez que estes dois inventores descobriram e documentaram o fenômeno da indução eletromagnética, ele levou à experimentação por outros tanto na Europa como na América do Norte.

1832 – Hippolyte Pixii (França) construiu o primeiro dínamo usando um comutador, seu modelo criou pulsos de eletricidade separados por nenhuma corrente. Ele também por acidente, criou o primeiro alternador. Ele não sabia o que fazer com a mudança de corrente, ele se concentrou em tentar eliminar a corrente alternada para obter energia DC, isso o levou a criar o comutador.
1830s-1860s – A bateria ainda é a maneira mais poderosa de fornecer eletricidade para as várias experiências em curso nesse período. A eletricidade ainda não era comercialmente viável. Um trem elétrico movido a bateria de Washington DC para Baltimore falhou, provando um grande embaraço para o novo campo da eletricidade. Depois de milhões de dólares desperdiçados, o vapor ainda provou ser uma melhor fonte de energia. A eletricidade ainda precisava provar ser confiável e comercialmente viável.
1860 – Antonio Pacinotti- Criou um dínamo que fornecia energia DC contínua
1867 – Werner Von Siemens e Charles Wheatstone criaram um dínamo mais poderoso, mais útil, que usava um eletroímã auto-alimentado no estator ao invés do fraco ímã permanente.
1871 – Zenobe Gramme desencadeou a revolução comercial da eletricidade. Ele preencheu o campo magnético com um núcleo de ferro que fez um melhor caminho para o fluxo magnético. Isto aumentou a potência do dínamo ao ponto de ser utilizável em muitas aplicações comerciais.
1870s – Houve uma explosão de novos designs em dínamos, os designs variavam em uma variedade selvagem, apenas alguns se destacaram como sendo superiores em eficiência.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) desenvolveu o mais eficiente e confiável design de dínamo até aquele ponto. Suas invenções foram vendidas através da Telegraph Supply Company.
1877 – O Franklin Institute (Philadelphia) realiza testes em dínamos de todo o mundo. A publicidade deste evento estimula o desenvolvimento por outros como Elihu Thomson, Lord Kelvin, e Thomas Edison.

Acima: Edison’s Long Legged Mary, um dínamo de sucesso comercial para os seus sistemas DC 1884

1878 – The Ganz Company começa a usar geradores CA em pequenas instalações comerciais em Budapeste. 1880 – Charles F. Brush tinha mais de 5000 luzes de arco em funcionamento, representando 80% de todas as lâmpadas em todo o mundo. A potência econômica da era elétrica tinha começado. 1880-1886 – Sistemas de Corrente Alternada se desenvolvem na Europa com Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard, e outros. Dínamos DC reina supremacia no lucrativo mercado americano, muitos são céticos em investir em corrente alternada. Os geradores de corrente alternada eram poderosos, mas o gerador por si só não era o maior problema. Os sistemas de controle e distribuição de energia AC precisavam ser melhorados antes que pudessem competir com DC em um mercado. 1886 – No mercado norte-americano, inventores como William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla e Elihu Thomson desenvolvem seus próprios sistemas de CA e projetos de geradores. A maioria deles usou geradores Siemens e Ferranti como base de estudo. William Stanley foi rapidamente capaz de inventar um gerador melhor depois de estar insatisfeito com o gerador Siemens que usou na sua primeira experiência.

Acima: Geradores CA Siemens usados em Londres em 1885, nos EUA Edison estava relutante em saltar para o campo de energia CA enquanto na Europa a tecnologia estava se desenvolvendo rapidamente.

1886-1891 – Geradores CA polifásicos são desenvolvidos por C.S. Bradly (EUA), August Haselwander (Alemanha), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Alemanha/Rússia), Galileo Ferraris (Itália), e outros. Sistemas CA que incluem melhor controle e motores elétricos potentes permitem CA para competir.

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1891 – A energia CA trifásica prova ser o melhor sistema para geração e distribuição de energia na Exposição Internacional Eletrotécnica em Frankfurt. O gerador trifásico projetado por Mikhail Dolivo-Dobrovsky usado na exposição é visto à esquerda. 1892 – Charles P. Steinmetz apresenta seu trabalho para a AIEE sobre histerese. O entendimento de Steinmetz sobre a matemática da energia CA é publicado e ajuda a revolucionar o design do sistema de energia CA, incluindo grandes geradores CA. 1890s – O design do gerador é melhorado rapidamente graças às vendas comerciais e ao dinheiro disponível para pesquisa. A Westinghouse, Siemens, Oerlikon e General Electric desenvolvem os geradores mais potentes do mundo. Alguns geradores ainda funcionam 115 anos mais tarde. (Mechanicville, NY)

Acima: 1894 Elihu Thomson desenvolveu muitos geradores CA para a General Electric

Um gerador Westinghouse 2000 kW 270 Volt posterior a partir de 1900

3. Vídeos

Geradores de vilas mecânicas com história explicada (1897), desenhados por Charles P. Steinmetz, mestre de AC

Gerador de Westinghouse em construção e teste (1905), desenhado por Oliver Shallenberger, Tesla e outros na Westinghouse.

1895 Os primeiros geradores potentes usados em Folsom, CA (desenhado por Elihu Thompson, Dr. Louis Bell, e outros na GE)

1891 Gerador produzido pela Oerlikon para a Exposição Electrotécnica Internacional (desenhado por Dobrovolsky na Alemanha)

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