CAP-9 Geradores e motores eletricos - Escola de Aviação ...

[Pages:75]CAP?TULO 9

GERADORES E MOTORES EL?TRICOS DE AVIA??O

INTRODU??O

A energia para a opera??o de muitos equipamentos el?tricos de uma aeronave depende da energia el?trica fornecida por um gerador. Gerador ? qualquer m?quina que transforma energia mec?nica em energia el?trica, pela indu??o eletromagn?tica.

O gerador que produz corrente alternada ? chamado de gerador CA, ou alternador. O gerador que produz corrente cont?nua ? chamado de gerador CC ou d?namo.

Ambos os tipos operam pela indu??o de uma voltagem CA em bobinas, pela varia??o da quantidade e sentido do fluxo magn?tico que as cortam.

GERADORES

O campo magn?tico e o condutor formam um gerador elementar. Este tipo de gerador est? 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 91) ? ajustada para girar num campo magn?tico. Quando o plano da espira estiver em paralelo com as linhas de for?a magn?tica, a voltagem induzida na espira faz com que a corrente circule no sentido indicado pelas setas da figura 9-1.

A voltagem induzida nesta posi??o ? m?xima, visto que os fios est?o cortando as linhas de for?a em ?ngulos retos, e est?o, ainda, cortando mais linhas de for?a por segundo do que em qualquer outra posi??o relativa ao campo magn?tico.

Para aeronaves equipadas com sistemas el?tricos de corrente cont?nua, o gerador CC ? a fonte regular de energia el?trica.

Um ou mais geradores CC acionados pelos motores da aeronave, fornece energia el?trica para a opera??o de todas as unidades do sistema el?trico, assim como energia para carregar a bateria.

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

Teoria de opera??o

No estudo de corrente alternada, os princ?pios do gerador b?sico foram introduzidos para explicar a gera??o de uma voltagem CA pela rota??o de uma bobina num campo magn?tico. Sendo esta a teoria de opera??o de todos os geradores, ? necess?rio revisar os princ?pios de gera??o de energia el?trica.

Quando linhas de for?a magn?tica s?o cortadas por um condutor, uma voltagem ? induzida no condutor.

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

Figura 9-1 Indu??o de voltagem m?xima num gerador elementar.

? medida que a espira se aproxima da posi??o vertical mostrada na figura 9-2, a voltagem induzida diminui, pois ambos os lados da espira ("A" e "B") est?o aproximadamente em paralelo com as linhas de for?a, e a raz?o de corte ? reduzida.

Quando a espira estiver na vertical, as linhas de for?a n?o ser?o cortadas, visto que os fios est?o se movimentando momentaneamente

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em paralelo com as linhas de for?a magn?tica (e n?o h? voltagem induzida).

se zero quando na posi??o mostrada na figura 94, posto que os fios A e B est?o novamente em paralelo com as linhas de for?a magn?tica.

Figura 9-2 Indu??o de voltagem m?nima num gerador elementar.

Enquanto continuar a rota??o da espira, o n?mero de linhas de for?a cortadas aumentar? at? que a espira tenha girado outros 90? para um plano horizontal.

Como mostrado na figura 9-3, o n?mero de linhas de for?a cortadas e a voltagem induzida, mais uma vez s?o m?ximas.

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

Figura 9-4 Indu??o de voltagem m?nima no sentido oposto.

Se a voltagem induzida ao longo dos 360? de rota??o for plotada num gr?fico, resultar? a curva mostrada na figura 9-5. - Esta voltagem ? chamada de voltagem alternada devido ? invers?o dos valores positivos e negativos, primeiro num sentido e depois no outro.

Figura 9-3 Indu??o de voltagem m?xima no sentido oposto.

Enquanto a rota??o da espira continuar, o n?mero de linhas de for?a que est?o sendo cortadas diminui, e a voltagem induzida torna-

Figura 9-5 Gera??o 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 s?rie com o circuito externo.

Esta liga??o el?trica pode ser efetuada interrompendo-se a espira do fio, e ligando seus terminais a dois an?is met?licos, chamados an?is coletores, contra os quais duas escovas de carv?o ou metal est?o sobrepostos. As escovas est?o ligadas ao circuito externo.

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Pela substitui??o dos an?is coletores do gerador b?sico por dois semicilindros, chamados segmentos coletores, obtem-se um gerador CC b?sico (figura 9-6). Nesta ilustra??o, o lado preto da bobina ? ligado ao segmento preto; e o lado branco ao segmento branco. Os segmentos est?o isolados um do outro.

Figura 9-6 Gerador b?sico de C.C. As duas escovas estacion?rias est?o 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 m?veis de um gerador CC (bobina e coletor) s?o chamadas de induzido. A gera??o de uma for?a eletromotriz (FEM) pela espira m?vel num campo magn?tico ? igual para ambos os geradores (CA e CC), mas a a??o dos segmentos coletores produz uma voltagem CC. Esta gera??o de voltagem CC ? descrita para as diversas posi??es da espira m?vel num campo magn?tico, em rela??o ? figura 9-7.

Figura 9-7 Funcionamento de um gerador C.C. b?sico.

A espira na posi??o "A" da figura 9-7 est? girando no sentido hor?rio, mas as linhas de

for?a n?o s?o cortadas pelos lados da bobina, e nenhuma FEM ? gerada.

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

Em "B" da figura 9-7, o fluxo est? sendo cortado por uma raz?o m?xima, e a for?a eletromotriz induzida ? m?xima. Neste momento, a escova preta est? em contato com o segmento preto, e a escova branca com o segmento branco. A deflex?o do medidor est? para a direita, indicando a polaridade da voltagem de sa?da.

Em "C" da figura 9-7, a espira completou uma rota??o de 180?. Mais uma vez as linhas de fluxo n?o s?o cortadas, e a voltagem de sa?da ? zero.

A condi??o importante a se observar na posi??o "C' ? a a??o dos segmentos e das escovas.

A escova preta nesta posi??o da espira (180?) 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.

Ap?s passar a espira ligeiramente, pelo ponto de 180?, a escova preta estar? em contato somente com o segmento branco, e a escova branca em contato com o segmento preto.

Devido a esta transfer?ncia dos elementos do coletor, a escova preta est? sempre em contato com o lado da bobina que se move para baixo, e a escova branca est? 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 a??o do coletor faz com que a corrente circule sempre no mesmo sentido, atrav?s do circuito externo ou medidor.

Um gr?fico de um ciclo de opera??o ? mostrado na figura 9-7. A gera??o da FEM nas posi??es "A", "B" e "C" ? igual no gerador CA b?sico, mas na posi??o "D" a a??o do coletor inverte a corrente no circuito externo, e o segundo semiciclo tem a mesma forma de onda do primeiro. O processo de comuta??o ?, ?s vezes, chamado de retifica??o, porque no processo de retifica??o a voltagem CA ? transformada em voltagem CC.

No momento em que cada escova estiver em contato com os dois segmentos do coletor (posi??es "A", "C" e "E" da figura 9-7 ? produzido um curto-circuito cont?nuo. Se uma FEM

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

A voltagem gerada pelo gerador CC b?sico na figura 9-7 varia de zero para o seu m?ximo, duas vezes para cada volta da espira. Esta varia??o da voltagem CC ? chamada de "ondula??o" (RIPPLE), e pode ser reduzida usando-se mais espiras ou bobinas; como mostrado em "A" da figura 9-8.

Dentro de certo limite, a voltagem de sa?da de um gerador CC ? determinada pelo produto do n?mero de voltas por espira, o fluxo total por cada par de p?los na m?quina e a velocidade da rota??o do induzido.

Um gerador CA, ou alternador, e um gerador CC s?o id?nticos em rela??o ao m?todo de voltagem gerada na espira m?vel.

Entretanto, se a corrente for retirada da espira pelos an?is coletores, ela ser? uma corrente alternada e o gerador ? CA; se ela for coletada por segmentos coletores, ela ser? uma corrente cont?nua, e o gerador ? denominado de gerador CC.

Caracter?sticas da constru??o dos geradores CC

Os geradores usados nas aeronaves diferem no tipo, visto que eles s?o constru?dos por v?rios fabricantes. Todos, entretanto, possuem a mesma caracter?stica e operam de maneira similar.

As partes principais, ou conjuntos de um gerador CC, s?o a carca?a, o induzido e um conjunto de escovas. As partes de um gerador t?pico de avi?o s?o mostradas na figura 9-9.

Figura 9-8 Aumento do n?mero de espiras reduz a ondula??o (Ripple) na voltagem.

? medida que o n?mero de espiras aumenta, as varia??es entre os valores m?ximo e m?nimo de voltagem ser?o reduzidas ("B" da figura 9-8), e a voltagem de sa?da do gerador se aproxima de um valor est?vel CC. Em "A" da figura 9-8, o n?mero de segmentos do coletor ? aumentado em propor??o direta ao n?mero de espiras, isto ?, 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 ? pequena. Aumentando o n?mero de espiras n?o aumenta o valor m?ximo da voltagem gerada, mas aumentando o n?mero de voltas em cada espira aumentar? este valor m?ximo.

Carca?a

A carca?a ou estrutura do campo ? o alicerce ou a moldura do gerador. A carca?a tem duas fun??es: ela completa o circuito magn?tico entre os p?los, e atua como um suporte mec?nico para as outras partes do gerador.

Em "A" da figura 9-10, a carca?a de um gerador de dois p?los ? mostrada em corte transversal. A carca?a de um gerador de quatro p?los ? mostrada em "B" da figura 9-10.

Nos geradores menores, a carca?a ? constitu?da de uma pe?a ?nica de ferro, mas nos geradores maiores geralmente ? constitu?da por duas partes aparafusadas juntas.

A carca?a tem propriedades magn?ticas elevadas e, junto com as pe?as polares, forma a parte principal do circuito magn?tico.

Os p?los do campo, mostrados na figura 9-10, s?o aparafusados no interior da moldura, e formam um n?cleo pelo qual os enrolamentos da bobina do campo s?o efetuados.

Os p?los s?o geralmente laminados para reduzir as perdas devido ?s correntes parasitas, e

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t?m a mesma finalidade de um n?cleo de ferro de um eletro?m?, isto ? , eles concentram as linhas de for?a produzidas pela bobina de cam-

po.A carca?a completa, incluindo as pe?as polares, ? fabricada de ferro magn?tico de alta qualidade ou folha de a?o.

Figura 9-9 Gerador t?pico de 24 volts de aeronaves.

Um gerador CC usa eletro?m?s ao inv?s de ?m?s permanentes. A produ??o de um campo com intensidade magn?tica necess?ria, usando ?m?s permanentes, aumentaria grandemente as dimens?es f?sicas do gerador.

As bobinas de campo s?o constitu?das de diversas voltas de fio isolado, e s?o enroladas para se amoldarem ao n?cleo de ferro do p?lo ao qual ela est? segura firmemente (figura 911).

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Figura 9-10 Carca?a de dois e de quatro p?los.

Figura 9-11Bobina de campo removida de um p?lo.

A corrente de excita??o, que ? usada para produzir o campo magn?tico e que flui atrav?s das bobinas de campo, ? obtida de uma fonte externa ou de uma m?quina geradora CC. N?o existe liga??o el?trica entre os enrolamentos das bobinas de campo e as pe?as polares.

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A maioria das bobinas de campo s?o ligadas de maneira que os p?los mostrem polaridade alternada. Visto que sempre existe um p?lo norte para cada p?lo sul, sempre existir? um n?mero par de p?los em qualquer gerador.

As pe?as polares na figura 9-11 s?o projetadas da carca?a. Como o ar oferece uma grande resist?ncia ao campo magn?tico, esta montagem reduz o espa?o do ar entre os p?los e o induzido rotativo, aumentando a efici?ncia do gerador. Quando as pe?as polares s?o projetadas como a figura apresenta, seus p?los s?o denominados de p?los salientes.

Induzido

O conjunto do induzido consiste de bobinas enroladas em um n?cleo de ferro, um coletor e as partes mec?nicas associadas. Montado sobre um eixo, ele gira atrav?s do campo magn?tico produzido pelas bobinas de campo.O n?cleo do induzido age como um condutor de ferro no campo magn?tico e, sendo assim, ? laminado para evitar a circula??o de correntes parasitas.

H?, em geral, dois tipos de induzido: do tipo anel e do tipo tambor. A figura 9-12 mostra um induzido do tipo anel feito de n?cleo de ferro, um enrolamento de oito se??es e um coletor de oito segmentos. Este tipo de induzido n?o ? muito usado; a maioria dos geradores usa induzido do tipo tambor.

das bobinas individuais, chamadas extremidades da bobina, s?o ligadas aos segmentos correspondentes do coletor.

Figura 9-13 Induzido do tipo tambor.

Coletores

A figura 9-14 mostra o corte transversal de um coletor. O coletor est? instalado na extremidade do induzido e consiste de segmentos uniformes de cobre estirado, isolados por folhas finas de mica.

Os segmentos s?o mantidos no lugar por an?is de a?o tipo "V" ou flanges de aperto com parafusos. Os an?is de mica isolam os segmentos dos flanges. A parte alta de cada segmento ? chamada espelho, e os fios das bobinas do induzido s?o soldados aos espelhos. Quando os segmentos n?o possuem espelhos, os fios s?o soldados a uma pequena fenda nas extremidades dos segmentos.

Figura 9-12 Induzido do tipo anel com enrolamento de oito se??es.

Um induzido do tipo tambor (figura 913) tem bobinas instaladas nas fendas do n?cleo. O uso das fendas aumenta a seguran?a mec?nica do induzido. Geralmente, as bobinas s?o mantidas e instaladas nas fendas por meio de cal?os de madeira ou de fibra. As liga??es

Figura 9-14 Coletor com uma parte removida para mostrar a sua constru??o.

As escovas est?o sobrepostas na superf?cie do coletor, formando contato el?trico entre as bobinas do coletor e o circuito externo.

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Um fio flex?vel tran?ado, de cobre, geralmente chamado de "rabicho", liga cada escova ao circuito externo.

As escovas, geralmente feitas de carv?o de boa qualidade, s?o mantidas no lugar por a??o de suportes, isolados da carca?a, podendo deslizar livremente para cima e para baixo para acompanhar qualquer anormalidade na superf?cie do coletor. As escovas s?o geralmente ajust?veis, de modo que sua press?o sobre os coletores possa ser variada e a posi??o das escovas em rela??o aos segmentos possa ser ajustada.

As interrup??es constantes do contato das bobinas, nas quais as voltagens est?o sendo induzidas, necessitam da utiliza??o de material nas escovas que possuam ?tima resist?ncia de contato. Al?m disso, este material deve ser do tipo que o atrito entre o coletor e a escova seja pequeno para evitar desgaste excessivo. Sendo assim, o material mais usado pelas escovas ? o carv?o de boa qualidade. Este carv?o deve ser suficientemente macio para evitar o desgaste do coletor e, ainda, resistente o bastante para fornecer ? escova uma dura??o maior.

Visto que a resist?ncia de contato do carv?o ? razoavelmente alta, a escova deve ser bastante grande para proporcionar uma ?rea de contato maior. A superf?cie do coletor ? altamente polida para reduzir o atrito quanto poss?vel. ?leo ou graxa nunca devem ser usados no coletor e todo cuidado deve ser tomado ao limp?-lo, para evitar que a superf?cie seja danificada.

Os geradores em s?rie t?m m? regulagem de voltagem na varia??o de carga, posto que, quanto maior a corrente atrav?s das bobinas do campo para evitar o circuito externo, maior ser? a for?a eletromotriz induzida e tamb?m a voltagem terminal ou de sa?da. Portanto, quando a carga aumenta, a voltagem tamb?m aumenta; entretanto, quando a carga ? reduzida, a voltagem tamb?m ? reduzida.

A voltagem de sa?da de um gerador enrolado em s?rie pode ser controlada por um reostato, em paralelo com os enrolamentos do campo, como mostrado em "A" da figura 9-15. Visto que o gerador enrolado em s?rie tem m? regulagem, ele nunca ? usado como gerador de aeronaves. Os geradores das aeronaves s?o do tipo paralelo, s?rie ou misto.

TIPOS DE GERADORES CC

H? tr?s tipos de geradores CC: s?rie, paralelo, s?rie-paralelo ou misto. A diferen?a entre eles depende de como a bobina de campo ? ligada em rela??o ao circuito externo.

Geradores CC de excita??o em s?rie

O enrolamento do campo de um gerador em s?rie ? ligado em s?rie com o circuito externo, chamado de carga (figura 9-15). As bobinas de campo s?o compostas de poucas voltas de fio grosso.

A intensidade do campo magn?tico depende muito mais do fluxo de corrente do que do n?mero de voltas da bobina.

Figura 9-15 Diagrama e circuito esquem?tico de um gerador de excita??o em s?rie.

Geradores CC de excita??o em paralelo

O gerador que possui um enrolamento de campo ligado em paralelo com o circuito externo ? chamado de gerador em paralelo (como mostra a figura 9-16 em "A" e "B"). As bobinas de campo de um gerador em paralelo cont?m muitas voltas de fio fino: a intensidade magn?tica ? proveniente mais do grande n?mero de voltas do que da intensidade da corrente atrav?s das bobinas. Se for desejada uma voltagem constan-

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te, o gerador de excita??o em paralelo n?o ser? adequado para as cargas de oscila??o r?pida.

Qualquer aumento na carga provoca uma redu??o na voltagem terminal ou de sa?da, e qualquer redu??o na carga provoca o aumento na voltagem de sa?da; considerando que, o induzido e a carga est?o ligadas em s?rie, toda a corrente que flui no circuito externo passa pelo enrolamento do induzido.

Figura 9-16 Gerador de excita??o em paralelo.

Devido ? resist?ncia no enrolamento do induzido, h? uma queda de voltagem (queda de IR = corrente x resist?ncia). ? medida que a carga aumenta, a corrente do induzido e a queda de IR no induzido aumentam.

A voltagem de sa?da ? a diferen?a entre a voltagem induzida e a queda de voltagem; portanto, h? uma redu??o na voltagem de sa?da. Esta redu??o provoca uma queda na intensidade do campo porque a corrente das bobinas de campo diminui em propor??o ? redu??o na voltagem de sa?da: com um campo mais fraco, a voltagem ? consequentemente reduzida.

Quando a carga diminui, a voltagem de sa?da aumenta na mesma propor??o, e uma corrente mais elevada flui nos enrolamentos. Esta a??o ? cumulativa, pois a voltagem de sa?da continua a aumentar at? um ponto chamado "ponto de satura??o", ap?s o qual n?o h? aumento de voltagem.

A voltagem de sa?da de um gerador em paralelo pode ser controlada por um reostato instalado em s?rie com os enrolamentos do campo, como mostrado em "A" da figura 9-16. ? medida que a resist?ncia ? aumentada, a corrente do campo ? reduzida; consequentemente, a voltagem gerada tamb?m se reduz.

Para um determinado ajuste do reostato de campo, a voltagem de sa?da nas escovas do induzido ser? aproximadamente igual ? voltagem gerada, menos a queda de IR produzida pela corrente de carga no induzido; sendo assim,

a voltagem de sa?da do gerador diminuir? ? medida que a carga for aplicada.

Alguns aparelhos sens?veis ? voltagem s?o utilizados para ajustar automaticamente o reostato de campo, para compensar as varia??es de carga. Quando estes aparelhos s?o usados, a voltagem de sa?da permanece essencialmente constante.

Geradores CC de excita??o mista

Um gerador de excita??o mista ? constitu?do pela combina??o de um enrolamento em s?rie e um enrolamento em paralelo, de tal modo que de suas caracter?sticas se obtenha um bom rendimento.

As bobinas do campo em s?rie s?o feitas de um n?mero de voltas relativamente pequeno de condutor de cobre grosso de se??o transversal, circular ou retangular, e s?o ligadas em s?rie com o circuito do induzido. Estas bobinas est?o instaladas nos mesmos p?los do campo em paralelo e, por isso, auxiliam a for?a magnetomotriz, a qual influencia o fluxo do campo principal do gerador. A ilustra??o esquem?tica e o diagrama s?o apresentados em "A" e "B" da figura 9-17.

Figura 9-17 Gerador de excita??o mista.

Se os amp?res-voltas do campo em s?rie atuam no mesmo sentido daqueles do campo em paralelo, a for?a magnetomotriz combinada ser? igual ? soma dos componentes dos campos em s?rie e em paralelo.

A carga ? acrescentada a um gerador misto da mesma maneira que ? adicionada a um gerador em paralelo, pelo aumento dos circuitos em paralelo com os terminais de sa?da do gerador.

Sendo assim, a redu??o da resist?ncia da carga total com a carga adicionada ? acompanhada pelo aumento da corrente nos circuitos do induzido e no do campo em s?rie.

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