Existem dois tipos principais de máquinas de corrente alternada usadas para a geração de eletricidade; síncrona e assíncrona.
A diferença entre eles começa com o modo como o campo magnético do rotor interage com o estator. Ambos os tipos de máquinas podem ser usados como gerador ou motor.
Vejamos a seguir maiores detalhes sobre cada um deles.
Os Geradores Síncronos
O rotor é basicamente apenas um ímã em um eixo. Na prática, o imã é geralmente um eletroímã.
O estator consiste em três bobinas de fio colocadas para interceptar o campo magnético do rotor, igualmente espaçadas ao redor da circunferência, separadas por 120°. Cada bobina fornece corrente para uma fase da grade.
À medida que o rotor gira em cada bobina, a corrente induzida em cada bobina sobe e desce em direções positivas e negativas à medida que os pólos norte e sul do rotor passam.
Cada revolução gera um ciclo de corrente.
A frequência gerada está diretamente relacionada à velocidade de rotação do rotor.
Para uma máquina de ímã único (dois pólos), 50 Hz é gerado ao girar a 3000 RPM. Um rotor com quatro polos gera 50 Hz ao girar a 1500 RPM.
Portanto, a velocidade de rotação operacional de uma máquina síncrona é essencialmente uma constante (dentro de uma pequena janela).
Sua velocidade está ligada à frequência do sistema.
Máquinas síncronas são controladas pelo governador. O governador monitora a frequência do sistema e ajusta a potência do motor principal da máquina para trazer a correção para a frequência.
Isto está, é claro, sujeito à capacidade de energia da máquina e se ela está operando na configuração de energia, onde aumentos (e reduções) podem ser prontamente feitos.
Como a potência mecânica é aplicada ao eixo, o rotor avança em relação ao campo de rotação gerado pelas tensões do sistema nas bobinas do estator.
A máquina ainda permanece em sincronismo rotacional com as voltagens do sistema, mas o rotor está agora adiantado em relação ao sistema por um ângulo d.
O ângulo d varia com a potência sendo aplicada e gerada, onde a potência é proporcional a Sin (d). Se d é positivo, a máquina está adiantada ao sistema e está agindo como um gerador. Se d é negativo, a máquina está sendo puxada pelo sistema e está atuando como um motor.
Se d é zero, a máquina está girando, mas não está ocorrendo transferência de energia.
Observe que Sin (d) maximiza a 90°. Este é o limite do ângulo de avanço do rotor relativo ao torque máximo teórico que a máquina é capaz de fornecer.
Aqui está uma analogia mecânica de uma máquina síncrona que pode ajudar.
Imagine o torque magnético entre o rotor e o estator como sendo uma mola conectando duas rodas giratórias.
A primeira roda é conectada à fonte de acionamento, ou seja: o rotor. A segunda roda representa a carga do sistema de energia.
Quando algum carregamento extra é aplicado à segunda roda, o ângulo entre as rodas começa a aumentar à medida que a mola se estende.
O torque é transferido através da mola esticada e a energia cinética se move da massa giratória diretamente conectada da primeira roda para a segunda.
Os Geradores Assíncronos
A principal diferença entre máquinas assíncronas e síncronas é sobre o sincronismo do rotor.
O rotor de um gerador assíncrono não roda em sincronismo com as tensões do sistema.
Uma máquina assíncrona opera com “slip”. “Slip” é uma medida percentual de quanto mais lento ou mais rápido o rotor funciona em comparação com sua velocidade síncrona.
Quando o rotor está girando mais devagar que a velocidade síncrona, a máquina atua como um motor. Quando o rotor é girado mais rápido que a velocidade síncrona, a máquina atua como um gerador.
Aqui está uma analogia mecânica de uma máquina assíncrona que pode ajudar.
Imagine o torque magnético entre o rotor e o estator como sendo um acoplamento de fluido hidráulico entre duas rodas.
A primeira roda é conectada à fonte de acionamento, ou seja: o rotor. A segunda roda representa o sistema de energia. Como alguma carga extra é aplicada à segunda roda, o acoplamento hidráulico escorrega mais, mas o fluxo de energia cinética da primeira roda é largamente desacoplado pelo acoplamento hidráulico.
Os geradores assíncronos são normalmente usados onde o controle do motor principal não é possível, normalmente turbinas eólicas ou corrente de hidrelétrica.
Enquanto os sistemas de controle são implementados para fazer melhor uso desses recursos, eles não podem ajustar a saída em resposta a uma mudança de frequência.
Finalizando…
Existem duas diferenças fundamentais que afetam sua contribuição para a estabilidade.
Disponibilidade da Energia Cinética
A energia cinética do rotor da máquina síncrona está intimamente ligada ao sistema de potência e, portanto, disponível para conversão imediata em energia.
A energia cinética do rotor da máquina assíncrona é desacoplada do sistema em virtude de seu deslizamento e, portanto, não está facilmente disponível para o sistema.
Controle de cada um dos sistemas
Os geradores síncronos são controláveis por reguladores que monitoram a frequência do sistema e ajustam a entrada do motor principal para trazer a correção aos movimentos de frequência.
Os geradores assíncronos são normalmente usados em aplicações onde a fonte de energia não é controlável, por exemplo: turbinas eólicas.
Esses geradores não podem responder a movimentos de frequência que representam um desequilíbrio energético do sistema. Eles são uma causa de desequilíbrio de energia.
Estabilidade a curto prazo
A energia cinética giratória nos rotores das máquinas síncronas é medida em segundos de megawatt.
As máquinas síncronas fornecem estabilidade sob os desequilíbrios do sistema de potência porque a energia cinética de seus rotores (e motores primários) é travada em sincronismo com a grade através do campo magnético entre o rotor e o estator.
O fornecimento dessa energia é essencial para a estabilidade de curta duração do sistema de energia.
Estabilidade a longo prazo
A estabilidade a longo prazo é gerenciada pelos controles do governador.
Esses dispositivos monitoram a frequência do sistema e ajusta automaticamente a potência da máquina para compensar o desequilíbrio e restaurar a estabilidade.
