Automóvel Sistema de Carga 1ª Edição



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Corrente de pré-excitação


Regra geral, os alternadores são auto-excitantes, isto é, a corrente de excitação é obtida na própria máquina, desviada da corrente principal.

O conceito chave que torna possível a excitação, isto é, o aparecimento de um campo magnético quando ainda não há passagem de corrente de excitação é conhecido por "magnetismo remanescente" ou "remanência magnética".

Ao ser desligada a corrente de um electroíman, o respectivo campo magnético não desaparece por completo, isto é, continua existindo um pequeno resto no núcleo de ferro.

Quando o alternador é accionado pelo motor do veículo, o magnetismo remanescente no núcleo de ferro provocará a formação de uma pequena força electromotriz no enrolamento do alternador. Essa pequena tensão, por sua vez, provocará a passagem de uma pequena corrente eléctrica no circuito fechado do enrolamento de excitação de maneira que o magnetismo remanescente é acrescido de algum electromagnetismo, que reforça o campo de excitação, Figura 20. Em virtude do campo de excitação mais forte, resultará uma força electromotriz mais elevada, etc., constituindo-se finalmente o valor desejado da força electromotriz, correspondente à rotação do alternador.

No alternador existem dois díodos no circuito de corrente de excitação, um de excitação e um negativo. A auto-excitação somente pode começar quando o alternador tiver atingido uma tensão de, no mínimo 2 x 0,6 V = 1,2 volts.

O campo de magnetismo remanescente do rotor produzirá a referida tensão somente com uma rotação elevada. Por isso, é necessária a pré-excitação do alternador na partida do motor. A forma mais prática é sob a forma de corrente da bateria, através da lâmpada indicadora de carga. Após ligado o motor, a corrente de pré-excitação terá o percurso apresentado na figura a seguir, Figura 20.




Legenda:

1 – Alternador;

1a – Díodos de excitação (G);

1b – Díodos da placa positiva;

1c – Díodos da placa negativa;

1d – Bobine de excitação;

2 – Regulador;

3 – Lâmpada de controlo do alternador;

4 – Interruptor de ignição;

5 – Bateria.




Figura 20 Percurso da corrente no circuito de pré-excitação ([15]).

A corrente de pré-excitação causará, com absorção suficiente de corrente pela lâmpada indicadora, um campo magnético suficientemente grande para o início da auto-excitação do alternador.


    1. Circuito da corrente de carga


No borne "D-" do alternador, obtém-se a corrente para carregar a bateria e alimentar os consumidores eléctricos do veículo. O percurso da corrente de carga e de consumo é visto na figura a seguir.




Legenda:

1 – Alternador;

1a – Díodos de excitação (G);

1b – Díodos da placa positiva;

1c – Díodos da placa negativa;

1d – Bobine de excitação;

2 – Regulador;

3 – Lâmpada de controlo do alternador;

4 – Interruptor de ignição;

5 – Bateria.





Figura 21 Percurso da corrente no circuito de carga ([15]).

Verifica-se que a tensão na extremidade "U" do enrolamento é positiva, em "W" negativa e em "V" é igual a zero (sem tensão). O percurso da corrente é então o seguinte: extremidade de enrolamento "W", díodo negativo "W", borne de alternador "D-", massa, bateria (consumidor), borne de alternador "B+", díodo positivo "U", extremidade de enrolamento "U", ponto neutro.

Enquanto as correntes de fase modificam o seu valor e trocam de polaridade, a corrente fornecida à bateria (ou aos consumidores eléctricos) mantém sempre o mesmo sentido.

    1. Circuito da corrente de excitação


A corrente de excitação para a produção do campo magnético é derivada do enrolamento do estactor e retificada por três diodos de excitação especiais e três diodos de potência negativos. O percurso da corrente de excitação é mostrado na figura a seguir, .




Legenda:

1 – Alternador;

1a – Díodos de excitação (G);

1b – Díodos da placa positiva;

1c – Díodos da placa negativa;

1d – Bobine de excitação;

2 – Regulador;

3 – Lâmpada de controlo do alternador;

4 – Interruptor de ignição;

5 – Bateria.





Figura 22 Percurso da corrente no circuito de excitação ([15]).

    1. Regulador de Tensão


Praticamente todos os instrumentos receptores que equipam o automóvel funcionam correctamente desde que a tensão nominal da rede se mantenha dentro de limites muito estreitos. Ora, a f.e.m. produzida por um dado alternador varia com a velocidade de rotação do rotor e com a corrente de excitação do indutor.

No caso do automóvel, a velocidade de rotação do motor varia muito, desde as 600-900 rpm até às 6000-7000 rpm. No veio do motor existe uma desmultiplicação de cerca de duas vezes o que faz com que o alternador gire entre as 1200-1800 e as 12000-14000 rpm. Nestas condições, a tensão obtida no alternador seria variável, podendo atingir valores na ordem dos 250 V, o que não pode acontecer.

Para resolver este problema recorre-se ao regulador de tensão. O objectivo deste aparelho é o de controlar a corrente de excitação da bobina indutora, mediante a velocidade de rotação do motor, reduzido a excitação quando sobem as rotações e aumentando a excitação quando a rotação é mais baixa. Para garantir uma boa carga da bateria e o funcionamento correcto do restante sistema eléctrico, a tensão à saída do regulador deverá situar-se entre os 13.5 e os 14.5 V.

Basicamente, um regulador de tensão “sente” o valor da f.e.m. gerada pelo alternador, alimentando a bobina indutora se essa f.e.m. é inferior à pretendida (14V) e interrompendo essa alimentação se a f.e.m. subir acima desse nível.

Apesar de, hoje em dia, todos os reguladores de tensão serem electrónicos, é interessante verificar o princípio de funcionamento dos seus antecessores, i.e. os reguladores electromecânicos.

Regulador Electromecânico


O regulador electromecânico, Figura 23 foi substituído pelo electrónico, pois este último é mais pequeno, mais leve e mais preciso. Apesar disso, o estudo do funcionamento do regulador electromecânico facilita a compreensão dos reguladores electrónicos, pois têm a mesma filosofia de funcionamento.

Figura 23: Exemplo de um regulador electromecânico ([6])

Os reguladores electromecânicos funcionam de uma forma equivalente aos relês de protecção electromagnéticos:

Figura 24: Regulação electromecânica de tensão - corrente de excitação máxima ([6Error: Reference source not found])

O regulador fornece ou não corrente à bobina indutora (bobina do rotor), que produz o fluxo magnético necessário para que seja induzida f.e.m. alternada trifásica nos três enrolamentos do estator. O fornecimento de corrente (tensão) à bobina do rotor é controlado pelo regulador, através da abertura ou fecho do platinado móvel, dependendo da tensão aplicada ao electroíman do regulador.

Quando o alternador trabalha a baixo regime e a tensão à saída do alternador é mais baixa que a tensão da bateria, a força exercida pelo electroíman do regulador não é suficiente para atrair o platinado móvel. Na situação de “repouso” faz-se então o contacto com P1, de modo a que a corrente da bateria flui para a bobina do rotor (através de P1). No caso da figura anterior, o regulador está a fornecer uma corrente máxima à bobina do rotor.

Quando o rotor do alternador começa a rodar a uma velocidade mais elevada, e a tensão gerada ultrapassa um determinado valor (14V), o electroíman do regulador exerce uma força suficiente para atrair o platinado móvel, separando-o de P1. O regulador passa a fornecer uma corrente intermédia à bobina do rotor:



Figura 25: Regulação electromecânica de tensão - corrente de excitação intermédia ([6])

Quando o alternador funciona a um regime ainda mais elevado, a força exercida pelo electroíman do regulador é ainda mais elevada, obrigando o platinado móvel a fazer contacto com P2. Neste caso a corrente percorre a resistência R e em seguida flui para P2 (e para a massa). A corrente que flui para a bobina do rotor é portanto nula:





Figura 26: Regulação electromecânica de tensão - corrente de excitação nula ([6])

Quando o platinado móvel se afasta de P1, a corrente passa a fluir através da resistência R, reduzindo portanto a sua intensidade. Menos corrente para a bobina do rotor implica que o alternador gere menos f.e.m. Consequentemente, haverá uma menor força de atracção por parte do electroíman do regulador, de modo que o platinado móvel retorna à sua posição de “repouso”, fazendo contacto com P1. Isto, por seu lado, provoca uma subida na corrente que alimenta a bobina do rotor, aumentando novamente a f.e.m. gerada pelo alternador, obrigando o platinado móvel a afastar-se novamente de P1.

Concluindo, quando o motor opera a baixos regimes, o platinado móvel aumenta ou diminui a corrente para a bobina do rotor, estando em contacto ou afastando-se de P1 (entrando a resistência em série), respectivamente. Para alta rotação, a corrente é ou não fornecida à bobina do rotor, conforme o platinado móvel faz contacto com P1 ou P2, respectivamente.

Regulador Electrónico


O segundo tipo de regulador é o regulador electrónico. Este tipo de regulador apresenta diversas vantagens em relação ao regulador electromecânico:

  • Sendo mais leve e ocupando menos espaço do que os regulador electromecânico, pode ser montado internamente no alternador, evitando a cablagem adicional necessária a um regulador externo.

  • Ao contrário do regulador electromecânico, não existem partes em movimento, podendo executar até 7000 operações de ligar/desligar por segundo ([7]). Esta elevada frequência de operação permite um melhor controlo (mais exacto) da corrente que é fornecida à bobina do rotor (corrente de excitação).

  • A ausência de elementos mecânicos é também uma vantagem deste tipo de reguladores, pois não ficam tão sujeitos a desgastes e avarias.

Para alternadores de potências médias e maiores, pelas razões já mencionadas anteriormente, empregam-se para a regulagem da tensão reguladores electrónicos, com os quais é possível controlar com absoluta segurança as elevadas correntes de excitação dos alternadores. São além disso de elevada durabilidade (funcionamento sem desgaste) pois contêm transístores e diodos Zener, como elementos semicondutores.

Uma vez percebidos os reguladores electromecânicos, cujo elemento chave é o relé ( à direita), para perceber os electrónicos é só fazer a substituição por um transístor, à esquerda).





Figura 27 Um relé (figura da direita) pode ser substituído por um transístor (figura da esquerda) ([11]).

Os reguladores electrónicos podem basear-se em dois princípios de funcionamento, dependendo de como é produzido o campo magnético indutor:



  • Alternador com electroíman

Quando o campo magnético indutor é gerado por um electroíman, a tensão de saída do alternador pode ser controlada através da maior ou menor corrente de excitação desse mesmo elemento. Uma das possíveis implementações baseia o seu funcionamento num díodo zener e no funcionamento de um transístor como relê electrónico. O díodo zener, pelas suas características, bloqueia a passagem da corrente até se atingir um determinado valor de tensão aos seus terminais, altura em que passa a conduzir. Se o zener controlar a corrente de base de um transístor, este funcionará como um relê electrónico, estabelecendo ou cortando a corrente de excitação do electroíman.

  • Alternador com íman permanente

Se for um íman permanente a gerar o campo magnético indutor, não é possível controlar a sua intensidade. A única hipótese é controlar a corrente fornecida pelo alternador (pelos enrolamentos induzidos do estator), por intermédio de tirístores. Recorre-se também aqui aos díodos zener, elementos que controlam a condução ou corte dos tirístores, permitindo assim a regulação da tensão do alternador.

Uma das possíveis implementações baseia o seu funcionamento num díodo zener e no funcionamento de um transístor como relê electrónico. O díodo zener, pelas suas características, bloqueia a passagem da corrente até se atingir um determinado valor de tensão aos seus terminais, altura em que passa a conduzir.

É a seguir apresentado um regulador electrónico básico, Figura 28:

Figura 28: Um regulador electrónico básico ([8])

O díodo zener DZ é utilizado para comandar dois transístores:

T1 - transístor de comando (que vai pôr T2 em corte ou em condução

T2 - transístor de potência (que vai conduzir ou cortar a corrente de excitação que o regulador fornece à bobina do rotor).

As resistências R1 e R2 constituem um divisor de tensão, definindo a tensão que vai fazer funcionar o regulador.

O regulador poderá estar em dois estados distintos:


A tensão de entrada (+) é baixa

A tensão de entrada (+) é alta

  • O potencial no ponto A não é suficiente para fazer conduzir o díodo zener (não é atingida a tensão de zener)

  • O potencial no ponto A ultrapassa a tensão de zener, colocando DZ em condução

  • Se T1 está em corte, o potencial na base de T2 é suficiente para o pôr (T2) em condução

  • Se T1 está em condução, a base de T2 fica a um potencial baixo, insuficiente para o pôr (T2) em condução

  • Se T2 está em condução, a saída (EXC) vai ficar ao mesmo potencial da entrada (+), pelo que a bobina do rotor é excitada.

  • Se T2 está em corte, a saída (EXC) vai ficar ao potencial da massa, pelo que a bobina do rotor não é excitada.

O funcionamento fica claro, se tentarmos perceber os processos que ocorrem ao aumentar e diminuir a tenção aos terminais do alternador. O valor real da tensão do alternador entre os terminais D+ e D- é registado por um divisor de tensão, resistências R1, R2 e R3 da Figura 29. Em paralelo com R3 está conectado, com o transístor do valor nominal do regulador, um díodo Z que se encontra submetido a uma tensão parcial proporcional à tensão do alternador. Enquanto o valor real da tensão no alternador é inferior ao valor teórico, verifica-se o estado de conexão “conectado”, Figura 29b. Nesta situação não se alcançou ainda a tensão de corte do díodo Z, isto é, não passa corrente para a base do transístor T1. Com o transístor T1 em corte, circula corrente desde os díodos de excitação, através do terminal D+ e da resistência R6 até à base do transístor T2, que se torna assim condutor. Ao entrar em condução, o transístor T2 estabelece conexão entre o terminal DF e a base de T3. Portanto, o transístor T3 torna-se também condutor.

Desta forma, através de T3, flui uma corrente de excitação, que aumenta durante o tempo de conexão e provoca por sua vez um aumento da tensão do alternador UG. Ao mesmo tempo aumenta também a tensão no terminal do díodo Z. Se o valor real de tensão do alternador excede o valor teórico, surge o estado de regulação “desconectado”, Figura 29a.


Legenda:

a – Corrente de excitação desconectada por T3;

b – Corrente de Excitação conectada por T3;

1 – Etapa de potência;

2 – Fase de comando;

3 – Divisor de tensão;

4 – Díodos de compensação de temperatura;

C – Condensador para rectificação de tensão;

D3 – Díodo extintor.

Figura 29 Função do regulador transistorizado tipo EE entre os estados de regulação “conectado ” e “desconectado” ([15]).

Nesta situação, o díodo Z torna-se condutor ao alcançar a tensão de corte e permite circular uma corrente desde D+, através das resistências R1 e R2, até à base do transístor T1, que se torna também condutor. Como consequência, a tensão da base de T2 cai praticamente a Zero e ambos os transístores T2 e T3 ficam ao corte.

Nesta situação, o circuito de corrente de excitação fica interrompido e deixa de haver excitação, diminuindo a excitação do alternador. Como a tensão cai abaixo do valor nominal e o díodo Z volta ao estado de corte e o circuito de potência conecta de novo a corrente de excitação.

Ao interromper-se a corrente de excitação, devido à auto-indução no enrolamento de excitação – energia magnética acumulada – poderia produzir-se um pico de tensão que destruiria os transístores T2 e T3 se não se aplicasse o “díodo extintor” D3.

O díodo extintor encarrega-se da corrente de excitação no momento da interrupção e impede que se produza um pico de tensão.

O ciclo de regulação de conexão e desconexão do fluxo de corrente ao qual a bobine de excitação é submetida alternadamente – à tensão do alternador ou curte circuitada através do díodo extintor – repete-se periodicamente. A cadência de repetição depende essencialmente da velocidade de rotação do alternador e da carga.

O condensador C rectifica a tensão contínua ondulada do alternador. A resistência R7 assegura uma comutação rápida e exacta dos transístores T2 e T3 o que reduz as perdas de comutação.



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