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Gerador automotivo, mais conhecido como alternador, é a fonte de energia dos veículos

A função do gerador elétrico é a de transformar energia mecânica em energia elétrica. Abordaremos nesta edição e nas seguintes, os componentes que fazem parte dos sistemas de eletrônica embarcada

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Por Humberto Manavella


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Os geradores elétricos podem ser de dois tipos:

1. Gerador de corrente contínua: conhecido também, como dínamo ou gerador DC (DC: do inglês, “direct currente”, corrente direta).

2. Gerador de corrente alternada: é o alternador ou gerador AC (AC: do inglês “alternate current”, corrente alternada).

Ambos os tipos funcionam segundo o princípio de indução eletromagnética que estabelece:

Sempre que um condutor (bobina) se movimenta dentro de um campo magnético de forma tal que, o condutor (bobina) corta linhas de fluxo, uma tensão é gerada entre os extremos do mesmo, como resultado do fenômeno de indução eletromagnética.

O conceito pode ser também apresentado da seguinte forma:

Na medida em que há um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, uma tensão será induzida nos extremos do condutor. Este é o “efeito gerador”.

No gerador elétrico podem ser identificados dois elementos principais:

- "Campo": É o elemento que produz o campo magnético.

- "Armadura" ou “Induzido": É o elemento no qual é induzida a tensão. É constituído por um condutor enrolado na forma de bobina.

O campo pode ser produzido por um ímã permanente ou por um eletroímã. Para que haja movimento relativo entre o condutor e o campo magnético, todos os geradores possuem duas partes mecânicas: um rotor (que gira) e um estator (estacionário).

Na figura 1a, o campo é produzido pelo ímã permanente que constitui o estator.

Com o rotor girando, a voltagem gerada depende:

- Da intensidade do campo magnético B;

- Do ângulo com que o condutor da bobina corta as linhas de força;

- Da velocidade relativa com a qual a bobina se movimenta com relação ao campo;

- Do comprimento do condutor (que constitui a bobina) que está dentro do campo magnético.

A polaridade da tensão depende:

- Do sentido das linhas de fluxo do campo magnético B;

- Do sentido de rotação relativa da bobina com relação ao campo.

Se o condutor tem a forma de uma espira giratória (como na figura), os dois lados da mesma se movimentam em sentidos opostos e as tensões geradas (em cada um dos lados da espira) se somam.

• Configurações

- No gerador AC (alternador), a armadura pode ser tanto o rotor como o estator.

- No gerador DC (dínamo), a armadura é o rotor e o campo é o estator. O dínamo é, na sua essência, um gerador AC. O conjunto “anel comutador/escovas” tem a função de “retificar” a onda alternada e transformá-la numa onda de polaridade única. A figura 1b apresenta o esquema básico de um dínamo.

No gerador de contínua, a corrente é aplicada à bobina, através de um conjunto de contatos formados pelo anel de segmentos ou anel comutador e as escovas. Este conjunto funciona como um inversor mecânico de polaridade.

Cada extremo da bobina está ligado a um segmento do anel comutador. Portanto, neste último, existem tantos pares de segmentos como bobinas têm a armadura. Este conjunto (anel comutador/escovas) é o responsável pela inversão do sentido da corrente, a cada meia volta, com o objetivo de que a bobina gire no mesmo sentido. Invertendo o sentido da corrente, inverte-se o sentido de giro.

• Comparativo

A figura 2 apresenta as curvas de intensidade de corrente em função da rotação, de um dínamo e de um alternador com, aproximadamente, a mesma potência. Como é possível visualizar, o alternador possui uma faixa de trabalho bem ampla e com um autocontrole (limitação) da corrente máxima.

Entre as vantagens do alternador, na sua aplicação no automóvel, podemos mencionar:

- Fornecimento de corrente de carga, já no regime de marcha lenta.

- Pouco desgaste, em função da corrente de carga não passar por elementos mecânicos. No caso do dínamo, a corrente passa pelo conjunto “anel coletor/escova”.

- Elevada rotação máxima. O dínamo, possuindo o conjunto anel comutador/escova, não consegue atingir a mesma rotação máxima; isto, devido a limitações mecânicas.

- Não há necessidade de uso de disjuntor. Isto é devido a que, com motor parado (alternador não funcionando), e pela presença dos diodos retificadores, não há circulação de corrente inversa, da bateria para o gerador.

Já no dínamo, há necessidade da existência de um dispositivo interruptor/disjuntor no circuito que isole o dínamo da bateria. Caso contrário haveria circulação de corrente através do dínamo e a conseqüente descarga da bateria.

- Fornecimento da mesma onda de tensão, independente do sentido de rotação (saída não polarizada).

Gerador AC de Campo Magnético Rotativo

Este é o gerador automotivo, desde os anos 50. Possui a armadura (bobina) estacionária que constitui o estator. O campo magnético (gerado por ímã permanente ou por eletroímã) constitui o rotor. Neste caso, a tensão gerada pela bobina (armadura) pode ser aplicada à carga diretamente, sem a necessidade das escovas/anéis deslizantes.

• Rotor com Ímã Permanente

A figura 3 apresenta a constituição deste tipo de gerador. Com o campo magnético do rotor nesta posição, as linhas de fluxo cortam a bobina da armadura, induzindo uma voltagem com a polaridade indicada.

Já, na figura 4, o campo girou 180o, induzindo uma tensão com polaridade oposta.

Reparar em ambos os casos, os sentidos (opostos) da corrente no resistor de carga.

A figura 5 mostra a vista em corte do gerador (segundo a direção A de visualização) que serve de auxílio à interpretação da figura 6, a qual mostra como varia a tensão induzida a cada 90o do ângulo de rotação do campo magnético, ao longo de um ciclo completo.

No caso do exemplo (gerador de 1 bobina e 1 fase), este ciclo define o período da onda alternada e consequentemente, a frequência. O valor do período depende da velocidade de rotação do rotor.

Reparar na orientação do polo norte do ímã e na polaridade da tensão gerada. Para a interpretação do gráfico, levar em consideração o seguinte:

- Para cada posição do gráfico se pressupõe que o rotor (campo magnético) gira ângulos pequenos em torno da posição considerada.

- Quando as linhas de fluxo se deslocam paralelas aos lados da bobina (como em [1]), esta não corta linhas de fluxo. Portanto, a tensão induzida na bobina de armadura é nula.

- Quando as linhas de força se deslocam perpendiculares aos lados da bobina (como em [3]), a bobina corta a maior quantidade de linhas de fluxo por ângulo girado. Portanto, a tensão induzida é máxima.

- Nas outras posições, a tensão induzida é um valor intermediário.

- A polaridade depende de qual dos lados da bobina (indicados com “+” e “-”´), o polo N se aproxima ou se afasta.

- Quando N se aproxima do lado [+], a tensão aumenta no sentido do valor máximo positivo, +Vm. Quando N se aproxima do lado [-], a tensão diminui no sentido do valor máximo negativo, -Vm.

- Quando o polo N se afasta de [+], a tensão diminui com relação a Vm. Quando o polo N se afasta de [-], a tensão aumenta com relação a -Vm.

- A identificação dos lados da bobina com os símbolos [+] e [-] é arbitrária, com o único objetivo de auxiliar a interpretação.

A onda de tensão induzida é uma “onda senoidal”.

No que segue será analisada a onda de tensão gerada num ciclo de rotação do rotor (360o) com base no gráfico da figura 6.

- No ponto [1] o ímã se encontra girando de forma perpendicular ao plano do bobinado da armadura. Portanto, para pequenos ângulos de giro (por exemplo, 5o), em torno dessa posição, as linhas de força se deslocam de forma paralela aos condutores da bobina. Como resultado, a tensão gerada é 0V já que a bobina não “corta” linhas de fluxo.

- Na posição [2] a tensão gerada alcança o máximo Vm devido a que a bobina “corta” a maior quantidade de linhas de fluxo num pequeno ângulo percorrido pelo rotor, em torno da posição [2].

- A partir da posição [2], a tensão começa a diminuir e em [3], a situação é similar àquela da posição [1] onde a tensão gerada é 0V.

- A situação da posição [4] é similar àquela da [2], só que com tensão negativa devido a que as linhas de fluxo que saem do polo norte, “cortam” o outro lado da bobina.

• Rotor com Eletroímã

Quando o rotor é constituído de um eletroímã, como mostrado na figura 7, a bobina de campo ou de excitação (rotor) é alimentada com corrente contínua de através de um conjunto de escovas/anéis deslizantes.

A corrente de excitação tem como função gerar o campo magnético e por ser bem menor que a corrente de carga, os conjuntos anel/escova não estão submetidos a altas correntes.

O movimento giratório deste campo magnético induz a tensão alternada no estator, ao serem “cortadas”, as bobinas do mesmo, pelas linhas de fluxo do eletroímã. A vantagem desta configuração, com relação àquela do item anterior, é a possibilidade de controlar a intensidade do campo magnético gerado, através do ajuste da corrente de excitação e com isto, o valor da tensão de saída.

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