09 Geradores e Motores Elétricos

09 Geradores e Motores Elétricos

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CAPÍTULO 9 GERADORES E MOTORES ELÉTRICOS DE AVIAÇÃO INTRODUÇÃO

A energia para a operação de muitos equipamentos elétricos de uma aeronave depende da energia elétrica fornecida por um gerador. Gerador é qualquer máquina que transforma energia mecânica em energia elétrica, pela indução eletromagnética.

O gerador que produz corrente alternada é chamado de gerador CA, ou alternador. O gerador que produz corrente contínua é chamado de gerador C ou dínamo.

Ambos os tipos operam pela indução de uma voltagem CA em bobinas, pela variação da quantidade e sentido do fluxo magnético que as cortam.

Para aeronaves equipadas com sistemas elétricos de corrente contínua, o gerador C é a fonte regular de energia elétrica.

Um ou mais geradores C acionados pelos motores da aeronave, fornece energia elétrica para a operação de todas as unidades do sistema elétrico, assim como energia para carregar a bateria.

A aeronave equipada com sistemas de corrente alternada utiliza energia elétrica fornecida por geradores CA ou simplesmente alternadores.

Teoria de operação

No estudo de corrente alternada, os princípios do gerador básico foram introduzidos para explicar a geração de uma voltagem CA pela rotação de uma bobina num campo magnético. Sendo esta a teoria de operação de todos os geradores, é necessário revisar os princípios de geração de energia elétrica.

Quando linhas de força magnética são cortadas por um condutor, uma voltagem é induzida no condutor.

A intensidade da voltagem induzida depende da velocidade do condutor e da intensidade do campo magnético. Se os terminais do condutor forem ligados para formar um circuito completo, uma corrente é induzida no condutor.

O campo magnético e o condutor formam um gerador elementar. Este tipo de gerador está ilustrado na figura 9-1, junto com os componentes do circuito externo do gerador, que coleta e usa energia gerada pelo gerador simples. A espira do fio (“A” e “B” da figura 9- 1) é ajustada para girar num campo magnético. Quando o plano da espira estiver em paralelo com as linhas de força magnética, a voltagem induzida na espira faz com que a corrente circule no sentido indicado pelas setas da figura 9-1.

A voltagem induzida nesta posição é máxima, visto que os fios estão cortando as linhas de força em ângulos retos, e estão, ainda, cortando mais linhas de força por segundo do que em qualquer outra posição relativa ao campo magnético.

Figura 9-1 Indução de voltagem máxima num gerador elementar.

À medida que a espira se aproxima da posição vertical mostrada na figura 9-2, a voltagem induzida diminui, pois ambos os lados da espira (“A” e “B”) estão aproximadamente em paralelo com as linhas de força, e a razão de corte é reduzida.

Quando a espira estiver na vertical, as linhas de força não serão cortadas, visto que os fios estão se movimentando momentaneamente

em paralelo com as linhas de força magnética (e não há voltagem induzida).

Figura 9-2 Indução de voltagem mínima num gerador elementar.

Enquanto continuar a rotação da espira, o número de linhas de força cortadas aumentará até que a espira tenha girado outros 90º para um plano horizontal.

Como mostrado na figura 9-3, o número de linhas de força cortadas e a voltagem induzida, mais uma vez são máximas.

O sentido do corte, entretanto, está em sentido oposto àqueles apresentados nas figuras 9-1 e 9-2, de modo que o sentido (polaridade) da voltagem induzida é invertida.

Figura 9-3 Indução de voltagem máxima no sentido oposto.

Enquanto a rotação da espira continuar, o número de linhas de força que estão sendo cortadas diminui, e a voltagem induzida torna- se zero quando na posição mostrada na figura 9- 4, posto que os fios A e B estão novamente em paralelo com as linhas de força magnética.

Figura 9-4 Indução de voltagem mínima no sentido oposto.

Se a voltagem induzida ao longo dos 360º de rotação for plotada num gráfico, resultará a curva mostrada na figura 9-5. - Esta voltagem é chamada de voltagem alternada devido à inversão dos valores positivos e negativos, primeiro num sentido e depois no outro.

Figura 9-5 Geração de um gerador elementar.

Para usar a voltagem gerada na espira, a fim de produzir fluxo de corrente num circuito externo, alguns meios devem ser fornecidos para ligar a espira em série com o circuito externo.

Esta ligação elétrica pode ser efetuada interrompendo-se a espira do fio, e ligando seus terminais a dois anéis metálicos, chamados anéis coletores, contra os quais duas escovas de carvão ou metal estão sobrepostos. As escovas estão ligadas ao circuito externo.

Pela substituição dos anéis coletores do gerador básico por dois semicilindros, chamados segmentos coletores, obtem-se um gerador C básico (figura 9-6). Nesta ilustração, o lado preto da bobina é ligado ao segmento preto; e o lado branco ao segmento branco. Os segmentos estão isolados um do outro.

Figura 9-6 Gerador básico de C.C.

As duas escovas estacionárias estão instaladas nos lados opostos do coletor e, de tal modo, que cada escova entre em contato com cada elemento do coletor, quando este estiver girando simultaneamente com a espira. As partes móveis de um gerador C (bobina e coletor) são chamadas de induzido.

A geração de uma força eletromotriz

(FEM) pela espira móvel num campo magnético é igual para ambos os geradores (CA e C), mas a ação dos segmentos coletores produz uma voltagem C. Esta geração de voltagem C é descrita para as diversas posições da espira móvel num campo magnético, em relação à figura 9-7.

Figura 9-7 Funcionamento de um gerador C.C. básico.

A espira na posição “A” da figura 9-7 está girando no sentido horário, mas as linhas de força não são cortadas pelos lados da bobina, e nenhuma FEM é gerada.

A escova preta é mostrada entrando em contato com o segmento preto do coletor, e a escova branca está entrando em contato com o segmento branco.

Em “B” da figura 9-7, o fluxo está sendo cortado por uma razão máxima, e a força eletromotriz induzida é máxima. Neste momento, a escova preta está em contato com o segmento preto, e a escova branca com o segmento branco. A deflexão do medidor está para a direita, indicando a polaridade da voltagem de saída.

Em “C” da figura 9-7, a espira completou uma rotação de 180º. Mais uma vez as linhas de fluxo não são cortadas, e a voltagem de saída é zero.

A condição importante a se observar na posição “C’ é a ação dos segmentos e das escovas.

A escova preta nesta posição da espira (180º) entra em contato com o segmento preto e com o segmento branco num dos lados do coletor, e a escova branca entra em contato com os dois segmentos do outro lado do coletor.

Após passar a espira ligeiramente, pelo ponto de 180º, a escova preta estará em contato somente com o segmento branco, e a escova branca em contato com o segmento preto.

Devido a esta transferência dos elementos do coletor, a escova preta está sempre em contato com o lado da bobina que se move para baixo, e a escova branca está em contato com o lado da bobina que se move para cima.

Embora a corrente inverta o seu sentido na espira, exatamente do mesmo modo como no gerador CA, a ação do coletor faz com que a corrente circule sempre no mesmo sentido, através do circuito externo ou medidor.

Um gráfico de um ciclo de operação é mostrado na figura 9-7. A geração da FEM nas posições “A”, “B” e “C” é igual no gerador CA básico, mas na posição “D” a ação do coletor inverte a corrente no circuito externo, e o segundo semiciclo tem a mesma forma de onda do primeiro. O processo de comutação é, às vezes, chamado de retificação, porque no processo de retificação a voltagem CA é transformada em voltagem C.

No momento em que cada escova estiver em contato com os dois segmentos do coletor (posições “A”, “C” e “E” da figura 9-7 é produzido um curto-circuito contínuo. Se uma FEM

fosse gerada na espira neste instante, uma corrente alta fluiria no circuito, causando um centelhamento, e danificando o coletor. Por esta razão, as escovas devem ser instaladas na posição exata, onde o curto-circuito ocorrerá quando a FEM gerada for zero. Esta posição é chamada de plano neutro.

A voltagem gerada pelo gerador C básico na figura 9-7 varia de zero para o seu máximo, duas vezes para cada volta da espira. Esta variação da voltagem C é chamada de “ondulação” (RIPPLE), e pode ser reduzida usando-se mais espiras ou bobinas; como mostrado em “A” da figura 9-8.

Figura 9-8 Aumento do número de espiras reduz a ondulação (Ripple) na voltagem.

À medida que o número de espiras aumenta, as variações entre os valores máximo e mínimo de voltagem serão reduzidas (“B” da figura 9-8), e a voltagem de saída do gerador se aproxima de um valor estável C. Em “A” da figura 9-8, o número de segmentos do coletor é aumentado em proporção direta ao número de espiras, isto é, existem dois segmentos para uma espira, quatro segmentos para duas espiras e oito segmentos para quatro espiras.

A voltagem induzida numa espira com apenas uma volta é pequena. Aumentando o número de espiras não aumenta o valor máximo da voltagem gerada, mas aumentando o número de voltas em cada espira aumentará este valor máximo.

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