Automóvel Sistema de Carga 1ª Edição



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Rotor


O rotor é constituído por dois núcleos polares (pólos magnéticos Norte e Sul), uma bobina indutora (também chamada bobina de campo), dois anéis colectores e um veio do rotor:



Figura 7: O alternador em corte e o rotor desmontado ([3])

A bobina indutora está enrolada na mesma direcção em que roda o rotor e cada extremidade da bobina está ligada a um anel colector. Os dois núcleos polares estão instalados em cada lado da bobina, envolvendo-a. O fluxo magnético é produzido pela corrente que atravessa a bobina (2 a 5 A, fornecidos pela bateria), levando a que, com a rotação do rotor, os pólos sejam alternadamente Norte e Sul. Os anéis colectores são isolados do veio do rotor.

Saliente-se que existem alternadores em que o campo magnético indutor é produzido por um íman permanente, contudo, nesse caso, não é possível a regulação da tensão através da excitação (não seria possível aumentar ou diminuir a intensidade do campo magnético indutor, como no caso do electroíman). Esta situação será objecto do nosso estudo numa secção mais à frente.

    1. Escovas


A bobina indutora recebe a corrente através de um par de escovas, ver figura, que fazem a sua ligação eléctrica à bateria, através dos anéis colectores:



Figura 8: O alternador em corte e o rotor desmontado ([3])

As escovas são “empurradas” contra os anéis colectores através de uns suportes com molas. A baixa corrente (indutora) que têm de conduzir (2 a 5 A) permite-lhes um tempo de vida elevado.


    1. Estator


O rotor é inserido no interior do estator. Existe apenas um ligeiro espaçamento (menos de 1 mm) entre o estator e o rotor, para permitir maximizar o campo magnético que “entra” no estator (minimizando também o fluxo de fugas).

Figura 9: Os três grupos (6 bobinas cada) de enrolamentos do estator ([6])

O estator de um alternador trifásico tem três grupos independentes de enrolamentos, um para cada fase, dispostos à volta de um núcleo ferromagnético laminado (Figura 9).

Cada um dos três enrolamentos deverá ter um número de bobinas múltiplo do número de pares de pólos do rotor (rotor com seis pares de pólos é um valor comum, correspondendo a um estator com 3 x 6 = 18 bobinas ou 3 x 12 = 36 bobinas).

Esta restrição do número de bobinas do estator garante que, num dado instante de tempo, em todas as bobinas do mesmo enrolamento é induzida uma f.e.m. do mesmo valor, podendo estas ser ligadas em série (constituindo assim um mesmo enrolamento).

Os três grupos de enrolamentos são dispostos alternadamente, com uma ligeira sobreposição, o que é necessário para a geração dos desfasamentos pretendidos ([7]).

Na figura seguinte podemos ver o rotor correspondente ao estator atrás apresentado. Pode verificar-se que o seu núcleo polar tem seis pares de pólos:



Figura 10: Núcleo polar do rotor (6pares de pólos) ([6])

Podemos ver na figura seguinte como estão ligadas as bobinas dos três enrolamentos do estator, para um alternador com seis pares de pólos indutores e doze bobinas por enrolamento:





Figura 11: Ligação das bobinas do estator de um alternador ([8])

Saliente-se que, neste caso, para um mesmo enrolamento, cada bobina está enrolada num sentido contrário das suas vizinhas. Só assim se consegue um sincronismo das f.e.m. induzidas, pois enquanto que uma está sob a influência de um pólo Norte, uma bobina vizinha está sob a influência de um Pólo Sul.

Obviamente que a frequência da f.e.m. induzida é proporcional ao número de pares de pólos (e à velocidade de rotação do rotor).

A ligação dos três enrolamentos estatóricos pode ser feita em estrela (conhecida em inglês por ligação Y) ou em triângulo (conhecida em inglês por ligação delta), sendo mais comum o primeiro caso, Figura 12 do lado direito.





Figura 12 Tipos de conexões possíveis para o estator. Do lado direito: conexão em estrela do enrolamento do estator para corrente trifásica. Do lado esquerdo: conexão em triângulo do enrolamento do estator para corrente trifásica. ([12])
    1. Ponte rectificadora (Placa de Díodos)


A corrente alternada trifásica gerada pelo alternador terá de ser convertida em corrente contínua, dado que os componentes eléctricos de um automóvel exigem corrente contínua para funcionar. No caso particular da bateria, esta só se pode carregar se o sistema de carga lhe fornecer uma tensão contínua.

O sistema de segmentos de colector que serviria para o dínamo não pode ser utilizado no alternador, pois aqui o induzido não roda (está estacionário). A solução é utilizar um dispositivo rectificador - uma ponte de díodos Figura 13:






Legenda:

1 – Bateria;

2 – Bobine de excitação (G);

3 – Bobine do Estator;

4 – Díodos da placa positiva;

5 – Díodos da placa negativa;

6 – Díodos adicionais;

7 – Díodos de excitação.




Figura 13: Ponte rectificadora trifásica de onda completa ([15]).

A rectificação (de onda completa) de um sistema trifásico exige dois díodos para cada uma das fases, resultando num total de seis díodos. O truque é transformar a “corrente negativa” em corrente positiva. Num dado instante de tempo, apenas dois díodos estão em condução - são aqueles que estão ligados às saídas do alternador que têm o maior potencial (positivo e negativo), nesse mesmo instante de tempo.

Ao serem aplicadas três tensões (U1, U2 e U3) desfasadas de 120º, o comportamento dos díodos vai ser o seguinte Figura 14:

Figura 14: Condução dos díodos em função da tensão trifásica ([12]).

A tensão de saída do sistema (Uout) terá sempre a mesma polaridade, o que era o objectivo inicial Figura 15:

Figura 15: A tensão trifásica de saída é transformada em corrente continua levemente ondulada ([12])

Nos alternadores, a ponte rectificadora é montada na chamada placa de díodos. Na figura seguinte pode visualizar-se a aplicação da ponte rectificadora à saída do alternador, observando o formato temporal das várias tensões intervenientes:



Figura 16: Rectificação da corrente alternada trifásica ([8])

Pode observar-se na figura seguinte, Figura 17, que embora o sentido das correntes nas bobinas do estator mude de sentido, o sentido da corrente nas cargas (bateria e receptores) é sempre o mesmo:



Figura 17: Rectificação da corrente alternada trifásica ([8])

Tal como se verificou nas figuras atrás apresentadas, para um alternador com apenas um par de pólos e três enrolamentos estatóricos, em cada volta do rotor irão ocorrer seis picos de tensão. A tensão à saída da ponte rectificadora é, no entanto, demasiado ondulada.

Este problema é ultrapassado pelos alternadores trifásicos com seis pares de pólos e seis bobinas por enrolamento, em cada revolução do rotor irão ocorrer 36 picos de tensão (18 positivos e 18 negativos):





Figura 18: F.e.m. induzidas para 6 pares de pólos e 6 bobinas por enrolamento

A que vai corresponder uma tensão rectificada da seguinte forma, para o mesmo período de tempo que foi considerado anteriormente (uma volta do rotor):





Figura 19: Tensão de saída rectificada para 6 pares de pólos e 6 bobinas por enrolamento

É fácil de notar que a tensão rectificada é muito mais estabilizada do que no caso do alternador básico (com 1 par de pólos e 1 bobina por enrolamento).

Esta leve ondulação é anulada pela bateria que filtra os picos de tensão, comportando-se como um filtro passa-baixo.

No alternador há três circuitos de corrente:



  • Circuito da corrente de pré-excitação;

  • Circuito da corrente de carga;

  • Circuito da corrente de excitação.


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