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 Primeiro pronto a se estudar em circuitos elétricos é a geração da energia elétrica, parte englobada pelo SEP ("Sistema Elétrico de Potência" que abrange a Geração, Transmissão e Distribuição da energia elétrica), que é onde tudo começa e aprende-se muita coisa.

GERAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA
  Existem muitas formas de gerar energia elétrica, porém, a que trataremos aqui serão as gerações de energia através do alternador, para gerar corrente alternada, e o dínamo, para gerar corrente contínua, com ambos sendo parte de uma classificação maior denominada GERADORES. Na usina hidrelétrica de Itaipu, por exemplo, a eletricidade é gerada pelos chamados geradores síncronos trifásicos (ou, simplesmente, alternadores síncronos). Basicamente, tanto o alternador quanto o dínamo, são motores elétricos que estão operando de modo inverso, ou seja, em vez de aplicar corrente nos terminais do motor para o rotor girar, é o rotor que gira através de força mecânica (queda d'agua, vapor d'água, vento ou combustão) gerando corrente elétrica nos terminais, e é sobre esse fenômeno de geração de corrente denominado indução eletromagnética (lei de Faraday) que trataremos aqui. 

FUNCIONAMENTO  DOS GERADORES

DÍNAMO: Composto pelo estator, a parte fixa, geralmente composta por ímãs permanentes ou eletroímãs (bobinas que passam corrente), que cria um campo magnético constante; rotor, é a parte que gira e consiste em bobinas de fios de cobre enroladas em um núcleo de ferro; comutador e escovas, este é o "segredo" do dínamo, sendo o comutador um anel segmentado que gira com o rotor, e as escovas contatos fixos que coletam a energia conforme o rotor gira. Não é utilizado para geração de energia em larga escala, sendo limitado a aplicações residuais, como lanternas.

ALTERNADOR: É composto pela bobina de armadura (que fica no estator), pelo rotor e por uma excitatriz, um pequeno gerador acoplado ao eixo que fornece a energia necessária para "imantar" o rotor. É com o alternador que tudo se faz possível. Existem dois tipos,  alternador síncrono, oriundo de um motor síncrono (clique aqui para saber mais sobre); alternador assíncrono, conhecido como gerador de indução, é oriundo de um motor assíncrono (clique aqui para saber mais sobre).
O mais utilizado é o alternador síncrono, com o alternador síncrono trifásico sendo o padrão mundial das usinas geradoras de corrente alternada, desde Itaipu e Belo Monte a Três Gargantas (China) - por este motivo será o foco aqui. Isso acontece pois neste tipo de alternador a frequência da eletricidade gerada está diretamente travada à velocidade mecânica de rotação do eixo do rotor: se o motor (turbina) que o gira acelerar, a frequência da rede sobe; se ele pesar e desacelerar, a frequência cai. Para manter os 60Hz constantes, o controle de rotação dessas máquinas precisa ser cirúrgico.

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

O alternador e o dínamo, apesar de terem componentes internos diferentes, funcionam a partir do mesmo principio: a indução eletromagnética - é o fenômeno físico que permite converter movimento em eletricidade. Tudo se resume a uma descoberta de 1831: um campo magnético em movimento gera corrente elétrica em um fio.  A Lei de Faraday afirma que sempre que houver uma variação no fluxo magnético através de um circuito, uma Força Eletromotriz (tensão) será induzida. No gerador, não basta ter um ímã e uma bobina: a bobina precisa estar se movendo em relação ao imã ou o ímã precisa estar se movendo em relação à bobina (no caso dos geradores síncronos, o que iremos focar é o segundo caso: a bobina fixa e o imã se movendo, falaremos mais abaixo). Tudo ocorre como se segue abaixo:

Depois que a tensão "surge" por indução, outro princípio físico entra em cena: a Lei de Lenz. Ela diz que a corrente induzida sempre cria um campo magnético que se opõe à mudança que a gerou. É por isso que, quando você liga um chuveiro elétrico, o gerador da usina fica "pesado": a eletricidade que sai dele cria uma força magnética contrária que tenta frear a turbina e para manter a velocidade, a usina precisa injetar mais água ou vapor - isto sinaliza um lembrete: nada vem de graça na física.

Nesse trajeto de ir e vir, surge na corrente alternada o diagrama fasorial (diagrama de fases) para representar graficamente esse movimento da corrente. De forma resumida, existem três etapas que a corrente segue, analisando o diagrama fasorial abaixo: 

• De 1° a 179°, 361° a 539°, assim por diante: a corrente segue, suponhamos, o caminho para frente no fio condutor;
• Em 0°, 180°, 360°, 540°, 720° e todos os divisores de 180°: são os pontos onde a corrente no fio condutor fica parada, literalmente, para poder dar inicio ao movimento contrário;
• De 181° a 359°, 541° a 719°, assim por diante: a corrente segue, suponhamos, o caminho para trás no fio condutor;

Todas essas três etapas ocorrem na rede elétrica a uma frequência de 60Hz, ou seja, em 1 único segundo as três etapas se repetem 60 vezes. Abaixo, você pode visualizar o diagrama fasorial.

Apesar de o modelo de geração fundamental de energia (monofásico) acima ser um fato, é apenas o que chamamos de modelo didático para o principio melhor ser explanado. O que  ocorre dentro dos geradores síncronos trifásicos é que, como o nome já diz, são três geradores monofásicos, portanto três ondas senoidais (cada uma representando aquelas três etapas) em um diagrama fasorial. O grande segredo é que essas três ondas senoidais estão defasadas entre si em um ângulo de 120°, justamente pela disposição física dos polos (norte e sul), que faz com que interajam difente com cada bobina em um mesmo instante de tempo, como mostra abaixo.

Onde:

A escolha dos 120° não é arbitrária, ela depende de alguns fatores como: 

1. O EQUÍLIBRIO GEOMÉTRICO

Um círculo completo tem 360°, se dividirmos esse círculo igualmente por três (o número mínimo de fases para criar um campo girante eficiente), obtemos exatamente 120°.
  Nessa configuração, as fases estão o mais "distantes" possível umas das outras. Isso garante que, em qualquer milissegundo, a soma das tensões (ou correntes) das três fases seja sempre zero - isso é bom porque a faz com que a corrente que "vai" por uma fase "volte" pelas outras duas. Em um sistema perfeitamente equilibrado, você nem precisaria de um fio de neutro para fechar o circuito, tal como o motor trifásico: como as três bobinas do motor são idênticas, consomem a mesma quantidade de corrente e por esse motivo não necessitam do neutro (falaremos do neutro mais abaixo). Tudo isso faz com que seja menos gasto tanto com cobre quanto com alumínio (na transmissão), e, portanto, entra no fator economia (o sistema trifásico é o equilíbrio financeiro entre 2 ou menos fases e 4 ou mais fases).

2. POTÊNCIA CONSTANTE

No sistema trifásico de 120°, quando uma fase está no zero, as outras duas estão em valores que, somados, entregam exatamente a mesma potência. A soma da potência instantânea das três fases é uma linha reta constante, o que resulta numa entrega suave de potência à rede - sem a defasagem de 120°, os grandes geradores de usinas sofreriam vibrações mecânicas tão violentas que acabariam se autodestruindo pelo esforço estrutural. 

3. A CRIAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE

Para um motor elétrico girar sozinho, ele precisa de um campo magnético que "corra" em volta do estator. Se tivéssemos apenas uma fase, o campo apenas "pulsaria" (iria para frente e para trás), e o motor ficaria parado vibrando. Com três bobinas posicionadas fisicamente a 120° e alimentadas por correntes defasadas em 120°, o campo magnético resultante tem magnitude constante e gira circularmente - é esse campo girante que "puxa" o rotor. Sem a defasagem de 120°, esse campo seria elíptico ou instável, e os motores seriam muito menos eficientes.

Abaixo, há uma animação do gerador síncrono trifásico.

GERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO (REAL)

Acima foi mostrado a animação de um gerador síncrono trifásico, no entanto aquele é o que chamamos de modelo didático, ou seja, apenas para fins de estudo, pois ele é perfeito para visualizar o principio da indução eletromagnética ocorrendo (o imã se move e induz corrente nas bobinas A, B e C). Na prática, a eletricidade é gerada a partir do alternador síncrono com um rotor de polos salientes, oriundo de um motor síncrono de polos salientes (clique aqui para saber mais sobre). Abaixo uma foto deste tipo de rotor.

Na primeira imagem existem 30 partes salientes (os "retângulos" que se projetam para fora), já na segunda imagem há 10 partes salientes. Cada parte saliente (ou polo saliente), é uma bobina com um núcleo de ferro (laminado), que é alimentada por uma fonte de corrente CC pela excitatriz por meio de um par de anéis coletores. Quando as bobinas no rotor são alimentadas por CC, o rotor produz um fluxo magnético giratório, isto é, o campo magnético dos eletroímãs acoplados no rotor passam a girar juntamente com o rotor. Diferente das bobinas no rotor, as bobinas da armadura são fixas/estacionárias - a armadura é a parte onde a corrente elétrica é induzida e o torque é criado, é basicamente o núcleo da conversão de energia; no motor a armadura fica no rotor e no gerador a armadura fica no estator conforme estamos vendo. Ao passo que o rotor gira, e o fluxo magnético gira junto, uma corrente induzida é gerada na bobina da armadura que está fixa no estator, e para produzir corrente alternada trifásica mais duas bobinas de armadura com 120° de fase (defasagem) com a principal são colocadas no enrolamento do estator. Geralmente essas três bobinas da armadura são conectadas em estrela por uma de suas extremidades, e a eletricidade trifásica é retirada das outras extremidades, de acordo com o diagrama a seguir.

Outra forma de ligar as bobinas de armadura do estator é a que se segue abaixo, denominada ligação delta ou triângulo.

Ambas as configurações de ligação possuem suas caracteristicas particulares, vai do projetista escolher qual a melhor para atender suas necessidades.

A FREQUÊNCIA DE 60Hz

Bom, vimos como a corrente elétrica trifásica é gerada, porém ainda falta esclarecer outras coisas, e vamos fazer isso de modo sequencial - vimos até aqui, que um problema leva a outro, e assim vamos aprendendo.  A grande pergunta é: como é gerada a frequência de 60Hz (Brasil)? Perecebe-se que o rotor do gerador gira conforme o eixo acoplado a ele e outro motor também gira (através da queda d'água, vapor d'água ou vento) a determinada taxa de rotação por minuto (RPM). A frequência (dada em Hz) das ondas senoidais, isto é, a quantidade de vezes que elas se repetem (um ciclo), em 1 único segundo de tempo, se relaciona com a quantidade de partes salientes (ou polos salientes) acoplados ao rotor de modo diretamente proporcional,  isto é , ao passo que aumentamos a quantidade de polos no rotor, mantendo-se constante as outras variáveis envolvidas, as ondas senoidais passam a ter um comportando diferente. Isso se mostra pela fórmula:

 Cada vez que um polo Norte passa por uma bobina de armadura no estator, ele empurra os elétrons em um sentido (pico positivo da onda). Quando o polo Sul passa, ele puxa os elétrons no sentido oposto (pico negativo). Portanto, o "fabricante" da onda senoidal é o par de polos passando sucessivamente na frente das bobinas. O polo é o "ímã" do gerador e quanto mais polos você coloca, mais devagar você pode girar o eixo para obter a mesma frequência de energia.

 OBS.: Se a frequência fosse menor que 50Hz a luz das lâmpadas conectadas à rede elétrica ficaria piscando - a 60Hz elas piscam (por causa do vai e vem da corrente elétrica), porém piscam a 60 vezes por segundo, e isso é tão veloz que o olho humano nem percebe e, ao invés disso, vê a emissão constante de luz.

EXEMPLOS PRÁTICOS

• Se você tem 2 polos (um Norte e um Sul), a cada volta completa do eixo, você gera um ciclo de energia. Para ter 60 ciclos por segundo (60 Hz), você precisa girar a 3600 RPM;

• Se você tem 4 polos, a cada volta o eixo gera dois ciclos. Assim, você só precisa girar a 1800 RPM para manter os mesmos 60 Hz.

• A água de um rio muitas vezes gira a turbina de forma lenta para não causar danos mecânicos ou por causa da queda d'água disponível. Se o eixo gira devagar, precisamos de "muitos ímãs" passando pelas bobinas para conseguir fabricar os 60 Hz. Utilizando a fórmula acima para uma quantidade de 80 polos (40 Nortes e 40 Sules) no rotor, para atingir uma frequência de 60Hz chegamos a um valor de 90 RPM, ou seja, o rotor deve girar a uma taxa de 90 vezes em um minuto (uma velocidade bem baixa), o que condiz com a velocidade média das turbinas hidrelétricas (100 a 600 rotações por minuto).

• Geradores eólicos tem velocidade média de 10 a 20 RPM, isto faz com que duas soluções sejam requeridas:
  • Colocar uma caixa redutora (de engrenagens) e transformar essa baixa rotação em uma alta rotação - o problema é que é muito barulhenta e desgasta fácil;
  • Adicionar muitos polos ao rotor: cerca de 480 polos, É por isso que o "nariz" de algumas turbinas eólicas é tão largo e achatado.

TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA
Depois de ver como a energia elétrica é gerada, é ainda importante saber que a diferença de potencial (ddp/tensão elétrica) criada nos terminais das bobinas de armadura no estator é relativamente baixa (apesar de estar no cerne da média tensão), na faixa de 6kV a 25kV (6000 a 25000 volts). Isso acontece não por uma escolha arbitrária, mas sim por um limite imposto pela física dos materiais e pelo espaço físico.

• Se o gerador produzisse tensões baixas, como 220V, para a potência que é demandada, a corrente seria extremamente alta, necessitando que os cabos de cobre fossem grossos tal como troncos de árvores e gerariam calor demasiado;
• Se o gerador produzisse tensões altíssimas, como 500kV, os enrolamentos de cobre da bobina de armadura no estator necessitariam de camadas grossas de isolamento, visto que a tensão é tão alta que facilmente geraria arcos elétricos - sendo iminente qualquer acidente, além de resultar em um gerador gigantesco;
• Por esses e outros motivos que a faixa de 6kV a 25kV é o "meio-termo" perfeito: alto o suficiente para que os cabos internos do gerador não sejam impossivelmente grossos, e baixo o suficiente para que o isolamento caiba dentro da máquina. 

Mas porque as linhas de transmissão transportam tensões tão altas como 230kV, 345kV, 440kV etc.? Essa resposta você encontra no guia abaixo sobre TRANSMISSÃO, basta clicar em "clique aqui para saber mais".