FUNCIONAMENTO DO ALTERNADOR

GERADORES PARA VEÍCULOS AUTOMOTIVOS

O alternador é um componente acionado por correia, ligado ao motor de combustão interna, que tem por finalidade recompor a carga da bateria gasta durante a partida e fornecer energia aos componentes elétricos, todos os consumidores conectados ao alternador, durante o funcionamento do motor.
Com a evolução dos veículos automotivos houve a incorporação de uma série de componentes de potência que aumentam a demanda de energia consumida. O aumento de trânsito nas cidades, com veículos funcionando em baixas rotações, levaram aos limites de funcionamento e aplicação dos dínamos convencionais (com coletor), pois quanto maior a amplitude da variação de rotação, mais difícil se tornará o controle da conversão da corrente alternada produzida pelo dínamo para corrente contínua, para suprir a pot&encia necessária dos consumidores e carregar a bateria.
Para acompanhar a evolução nos veículos, a obtenção de corrente contínua sem a utilização de coletor, foi fornecida ao sistma, através de uma ponte retificadora, a base de diodos semicondutores de silício, os quais podem ser facilmente instalados no gerador devido as suas reduzidas dimensões. Ela permite a retificação da corrente alternada, de forma que o alternador forneça corrente contínua. Com estas características podemos denominar o alternador como : “gerador de corrente contínua, sem coletor”.
Regulador de tensão: sistema que controla a corrente de excitação do campo do alternador de forma a manter a tensão dentro dos limites especificados.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
O alternador se baseia no princípio de indução eletromagnética para gerar energia elétrica, que a partir de um condutor (um fio ou espira) é atravessado pelas linhas de um campo magnético, uma voltagem é induzida neste condutor. Isto independe do movimento entre o campo magnético e o condutor.
Imagine um condutor imóvel com um campo magnético em rotação. Se as extremidades do conector estão conectadas a um voltímetro, será possível verificar que a voltagem tomará uma forma alternada, devida à variação da posição da espira em relação aos pólos.
Se a rotação desta espira é constante, a curva de tensão por posição (ângulo de rotação) da espira será senoidal.
No caso dos alternadores, o campo magnético citado anteriormente é gerado por eletroímãs.
O termo eletromagnetismo também inclui o fenômeno físico de que condutores também inclui o fenômeno físico de que condutores submetidos a uma corrente elétrica são rodeados por um campo magnético. No caso de uma bobina, a força do campo magnético gerado depende do número de espiras e ma magnitude da corrente que flui através dela (na prática, utiliza-se uma bobina com grande número de espiras, que também é conhecida como armadura). Este campo magnético pode ser ampliado com o uso de núcleos de ferros magnetizáveis.
O uso destes princípios no alternador leva ao fato de que se pode aumentar ou reduzir a intensidade do campo magnético e, desta forma, aumentar ou reduzir a voltagem induzida.
Quando a corrente de excitação de um eletroímã para de circular, o campo magnético de suas espiras também se extingue, com exceção de uma pequ3na parcela residual. A corrente de excitação pode vir de uma font3 externa de energia, pó exemplo, da bateria ou do próprio circuito elétrico do gerador.
Nos parágrafos anteriores, tratamos a geração de corrente alternada monofásica. No entanto, a corrente gerada nos alternadores é trifásica. Uma vantagem da corrente trifásica é que ela permite o uso mais eficiente do potencial do alternador.
No alternador há três bobinas idênticas (u, v, w), dispostas a 120º uma da outra. De acordo com o princípio da indução, à medida que o rotor gira são geradas três correntes alternadas de mesma freqüência e magnitude, porém defasadas em 120º. Estas três correntes são chamadas de corrente alternada trifásica.
Normalmente, um alternador precisaria de seis fios para conduzir a corrente induzida nas três bobinas. No entanto, é possível reduzirmos o número de conexões para três, ligando as bobinas entre si. Há duas formas possíveis de se fazer esta ligação: em triângulo ou em estrela.
Nos alternadores dos automóveis, foi provado que é mais vantajoso alojar este arranjo de bobinas na parte estacionária do equipamento, também chamada de estator. Os pólos do magneto, que é atravessado pela corrente de excitação, ficam na parte móvel do equipamento ou rotor`. Esta corrente de excitação é uma corrente contínua, pulsante, que gera um campo magnético na armadura do rotor, que por sua vez, induz uma corrente alternada trifásica no estator.

RETIFICAÇÃO DA CORRENTE ALTERNADA

A corrente alternada, gerada pelo alternador, tem a desvantagem de não poder ser armazenada na bateria, e também não é adequada para alimentar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo. Para realizar esta alimentação é necessário, primeiramente, retificar a corrente. Esta retificação é feita através dos diodos semicondutores.
O diodo retificador permite que a corrente circule somente em um sentido (no sentido da seta do símbolo do diodo), ou seja, ele só permite a passagem das “meias ondas” positivas. O resultado é uma corrente contínua pulsante. Na retificação de sistemas trifásicos, este método é aplicado em cada uma das fases. Para que se possa tirar proveito de todas as “meias ondas”, incluindo as negativas, é necessário utilizar dois diodos por fase: um diodo no lado positivo e outro, no lado negativo. Este circuito, chamado de ponte, provê a retificação de onda completa. O resultado da retificação é a soma das amplitudes positiva e negativa da corrente trifásica. Esta soma gera uma corrente contínua, com um certo fator de riple. Esas flutuações na corrente podem ser suavizadas pela bateria e pelos capacitores que ficam ligados em paralelo com o alternador.
A corrente de excitação, que tem como tarefa magnetizar os pólos da armadura do rotor, vem do circuito trifásico e também passa por uma retificação de onda completa antes de alimentar a armadura. Esta retificação é realizada com o auxilio dos diodos de excitação.
Os diodos retificadores do alternador não apenas retificam a corrente de excitação e a corrente que alimenta os componentes elétricos e eletrônicos do veículo, mas também impedem que a bateria descarregue através das três bobinas do estator.

OS CIRCUITOS DO ALTERNADOR

Há três circuitos no alternador:
- Circuito de pré-excitação (excitação externa através da bateria);
- Circuito de excitação (auto-excitação), e
- Gerador ou circuito principal.

CIRCUITOS DO PRÉ-EXCITAÇÃO

Quando a ignição é acionada, surge uma corrente que flui da bateria, através da lâmpada de advertência, para a armadura do rotor, e desta para o terra, através de um regulador. Nos alternadores com regulador montado externamente, a corrente flui primeiramente através do regulador e, depois disto, ela alimenta a armadura.
Desta maneira, a corrente que vem da bateria pré-excita o alternador. A pré-excitação é necessária, pois nos alternadores normais, o magnetismo residual no núcleo de ferro não é suficiente no instante de partida. Portanto, o alternador não é capaz d gerar um campo magnético suficiente na armadura, e conseqüentemente gerar a voltagem necessária.
No circuito de excitação há um diodo de excitação e um diodo de potência em série para cada uma das fases. Portanto, a auto-excitação só começa depois que o alternador consegue gerar uma voltagem maior que pelo menos a queda de tensão nos dois diodos. (2 x 0,7 V = 1,4 V).
A lâmpada de advertência, presente no circuito de pré-excitação, age como um resistor quando a ignição é acionada. Quando o motor começa a girar, a corrente que flui através da lâmpada, deve ser grande o bastante para gerar um campo magnético capaz de iniciar o processo de auto-excitação. A lâmpada permanece acesa enquanto há corrente fluindo no circuito de pré-excitação.

CIRCUITO DE EXCITAÇÃO

A função do circuito de excitação é produzir um campo magnético na armadura do rotor e, desta forma, induzir a voltagem necessária nas três bobinas do estator, durante todo o tempo de operação. Parte da corrente do estator flui para a bateria e as cargas, e outra parte, para o regulador e rotor. Novamente, o caminho da corrente depende da posição a qual o regulador foi instalado.
Quando o circuito de excitação começa a entrar em funcionamento (quando a lâmpada de advertência apaga), a tensão gerada no estator ainda é muito pequena para alimentar as cargas, portanto o fluxo de corrente acontece apenas no circuito de auto-excitação. O rotor é alimentado pelo estator, e passa a induzir uma tensão maior que a anterior. Este ciclo se repete, até que a tensão induzida no estator seja suficiente para colocar os diodos do circuito principal em condução, e alimentar a bateria e as cargas. Neste ponto, o regulador impede que a tensão gerada continue aumentando.
As partes básicas de um alternador comumente utilizadas são:
- Estator: consiste de três bobinas (enrolamentos) dispostas a 120º uma da outra;
- Rotor: é a parte móvel do alternador. Possui um eixo que carrega o eletroímã, os anéis e coletores, pelos quais a corrente circula;
- Polia: conectada ao eixo do rotor, é ligada através de uma correia ao motor de combustão, para transmitir movimento ao alternador;
- Ventoinha: também conectada ao eixo do rotor, serve para refrigerar o alternador.
- Retificador: possui seis diodos de potência e três diodos de excitação, que convertem a corrente trifásica em corrente contínua;
- Regulador: pode ser montado no interior do alternador, ou fora dele, numa parte protegida do veículo. Serve para regular a tensão gerada pelo alternador;
- Anéis e coletores: os anéis são fixos aos pólos do eletroímã, enquanto que os coletores são pressionados contra os anéis. Servem para proteger e fixar as partes internas do alternador.


REGULADOR DE TENSÃO

A função do regulador é manter constante a tensão gerada para todos os campos de velocidades de operação do motor do veículo. A regulação automática de voltagem não é uma tarefa simples, pois o motor do veículo muda constantemente de rotação. Além disso, muitos dos dispositivos elétricos e eletrônicos do veículo ficam ligados por um breve período de tempo, ou são acionados manualmente. Portanto, a carga que o alternador deve alimentar não é constante.
Quando o motor está em alta rotação e há poucas cargas a serem alimentadas, deve-se garantir que a tensão seja limitada até um valor preestabelecido.
Dessa forma, protege-se os dispositivos contra sobrecargas. Além disso, deve-se levar em conta que as propriedades eletroquímicas da bateria variam com a temperatura. Portanto, deve-se gerar uma tensão maior nos dias frios.

PARTES PRINCIPAIS DO SISTEMA

A tensão gerada em um alternador aumenta tanto com a sua rotação, quanto com a força do campo magnético, devida à corrente de excitação. Se um alternador fosse posto a operar sob máxima corrente de excitação, sem cargas conectadas, a tensão cresceria linearmente com velocidade de 10000 rpm.
O princípio da regulação de tensão é baseado na regulação da corrente de excitação, que por sua vez, regula o campo magnético do rotor. O regulador entra em funcionamento quando a tensão gerada pelo alternador ultrapassa o valor pré-estabelecido. Ele interrompe a corrente de excitação, fazendo com que o campo magnético do rotor diminua. Quando a tensão cai abaixo de um valor pré-estabelecido, a excitação do alternador é acionada novamente e o ciclo se repete. Isso ocorre muito rápido (em milisegundos).
Apesar desse chaveamento que é feito sobre a corrente, ela não cai ou se eleva abruptamente. Isso se deve ao fato de que a bobina presente no rotor é uma grande carga indutiva. Portanto, o campo magnético na bobina gera uma força contra-eletromotriz quando a corrente tende a variar, suavizando a variação da corrente.
Os reguladores nos alternadores têm a função de controlar apenas a tensão. Isso se deve ao fato de que a função do relé de corte é exercida pelos diodos, e a limitação da corrente é desnecessária, pois a partir de uma determinada rotação a corrente atinge um valor máximo, por isso se diz que os alternadores são autolimitantes.

Equipe de Profissionais do CDTM

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