Análise da F.E.M. e Operação de Geradores CA e CC

Análise da F.E.M. Induzida em uma Espira

• O estudo baseia-se na análise de uma espira em rotação dentro de um campo magnético gerado por polos Norte (N) e Sul (S).
• Componentes da Espira:
  • Lados Ativos (a e a'): São os segmentos da espira que efetivamente cortam as linhas de fluxo magnético para induzir a força eletromotriz.
  • Cabeceira: Parte da espira que conecta os lados ativos, mas não contribui para a indução por não cortar o fluxo.
  • Eixo de Rotação: O centro em torno do qual a espira gira.
• Indução em função do ângulo ($\theta$):
  • A análise ocorre em diversas posições angulares: $0^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$, $135^\circ$, $180^\circ$, $225^\circ$, $270^\circ$, $315^\circ$, $360^\circ$ e $405^\circ$.
  • Em $0^\circ$, $180^\circ$ e $360^\circ$, os condutores se movem paralelamente às linhas de força, resultando em uma F.E.M. nula ($0$).
  • Em $90^\circ$ e $270^\circ$, o corte das linhas de força é máximo, resultando na F.E.M. máxima (positiva ou negativa).
• Equação Fundamental da F.E.M. Induzida:
  • Relembrando o conceito para um condutor individual:   $e = B \times L \times v$
  • Onde:
  • $e$: força eletromotriz induzida no condutor em Volts ($V$).
  • $B$: indução magnética em Tesla ($T$).
  • $L$: comprimento do condutor em metros ($m$).
  • $v$: velocidade do movimento em metros por segundo ($m/s$).
• Convenção de Polaridade:
  • F.E.M. saindo do lado ativo "a" é considerada positiva.
  • F.E.M. entrando no lado ativo "a" é considerada negativa.
• Equação para a Espira Completa:
  • Considerando os dois lados ativos e o movimento senoidal:   $e = 2 \times B \times L \times v \times \text{sen}(\theta)$
• Forma de Onda: A F.E.M. induzida em uma espira simples é senoidal pura, alternando a polaridade a cada meio ciclo (corrente alternada).

Gerador CA - Elementar

• No gerador de Corrente Alternada (CA), a energia é coletada através de um sistema de contatos deslizantes.
• Anéis Coletores: São dois anéis de metal soldados a cada lado ativo da espira (a e a').
• Escovas: Cada anel desliza sob uma escova que interliga o gerador à carga externa ($R$).
• Regra de Fleming (Mão Direita):
  • Utilizada para determinar o sentido da corrente induzida.
  • No início, a F.E.M. sai pelo lado ativo "a" e entra pelo "a'".
  • Após um giro de $180^\circ$, as posições se invertem: a F.E.M. passa a sair pelo lado "a'" e entrar pelo "a".
• Resultado: A corrente que circula na carga muda de direção periodicamente, produzindo uma onda senoidal.

Gerador CC - Elementar e o Comutador

• Para obter Corrente Contínua (CC), substitui-se os anéis coletores por um comutador (ou coletor de lâminas).
• Função do Comutador no Gerador CC:
  • Diferente do motor CC, aqui o comutador (junto às escovas) coleta a energia produzida no enrolamento do induzido.
  • Realiza a comutação: converte a corrente alternada que circula internamente nos fios da espira em corrente contínua para o circuito externo.
  • É considerado uma das partes mais delicadas da máquina, sujeita a diversos defeitos.
• Forma de Onda de Saída:
  • A corrente na carga não é perfeitamente constante, mas sim pulsante (retificada em onda completa).
  • A corrente sempre circula no mesmo sentido na carga, pois as escovas trocam de lâmina exatamente quando a polaridade da espira se inverte.

Melhoria da Forma de Onda no Gerador CC

• Um comutador de apenas duas lâminas gera uma tensão pulsante com grandes variações (ripple).
• Solução Prática: Utilizar mais bobinas (espiras) e mais lâminas no comutador.
• Processo de Comutação:
  • Posição 1: As escovas tocam a espira cujos condutores estão se movendo perpendicularmente ao campo (F.E.M. máxima).
  • Posição 2: À medida que o induzido gira, a F.E.M. dessa espira começa a decrescer.
  • Posição 3: Ocorre a comutação; as escovas deixam de tocar a primeira espira e passam a tocar a próxima, onde a F.E.M. já é média e está crescendo (entrando sob os polos).
  • Conclusão: Como as escovas tocam sempre nos condutores que estão passando sob os polos magnéticos, a tensão de saída nunca cai a zero. Ela oscila levemente entre um valor médio ($Y$) e o valor máximo, resultando em uma CC muito mais estável.
• Posicionamento das Escovas:
  • Na prática, o suporte das escovas é ajustado com auxílio de um voltímetro.
  • Procura-se a posição de maior tensão entre as escovas, que coincide com o ponto de menor faiscamento.

Equações e Circuito Elétrico do Gerador CC

• Equação da F.E.M. Induzida ($E_a$):$E_a = ϕ \times N \times K$
  • Onde:
  • $ϕ$: fluxo produzido pelo polo da máquina em Weber ($Wb$).
  • $N$: velocidade da máquina em rotações por minuto ($rpm$).
  • $K$: constante baseada nas características físicas (número de polos e condutores por via interna).
• Controle da Tensão:
  1. Alteração do fluxo dos polos: Processo universalmente utilizado (ajuste da corrente de campo).
  2. Alteração da rotação da máquina primária: Procedimento raramente utilizado.
• Circuito Elétrico Equivalente:
  • Aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff:   $V_t = E_a - (I_a \times R_a)$
  • Onde:
  • $V_t$: tensão de saída do gerador (tensão terminal).
  • $E_a$: F.E.M. induzida nos condutores da armadura.
  • $R_a$: resistência dos condutores da armadura.
  • $I_a$: corrente de armadura.

Rendimento, Potência e Perdas

• Rendimento: A energia de saída é sempre menor que a de entrada devido às perdas internas por calor. O rendimento é sempre inferior a $100\%$.
• Potência da Máquina Primária: Deve ser cerca de $20\%$ a $30\%$ superior à potência nominal do gerador.
  • Exemplo: Um gerador de $5\,kW$ requer uma máquina primária de pelo menos $6,25\,kW$ ($25\%$ a mais), equivalente a $8,5\,CV$.
  • Relação de conversão: $1\,CV = 0,736\,kW$.
• Tipos de Perdas em Máquinas CC:
  • Perdas Mecânicas: Atrito nos mancais, atrito escovas-comutador e movimentação da ventoinha (que também remove o calor interno para proteger a isolação).
  • Perdas no Cobre: Efeito Joule (aquecimento) nos enrolamentos do induzido, comutador, escovas e circuito de campo.
  • Perdas no Ferro: Correntes parasitas (correntes de Foucault) e histerese magnética no núcleo do induzido.

Formas de Excitação de Geradores CC

• Excitação é a criação do campo magnético indutor.
• Meios de Excitação:
  • Ímãs Permanentes: Apenas para pequenos geradores (magnetos).
  • Eletroímãs: Bobinas enroladas nas sapatas polares alimentadas por corrente contínua (bobinas de campo).
• Classificação quanto ao fornecimento de corrente de campo:
  1. Gerador de Excitação Separada ou Independente:
  • Possui uma fonte CC externa (bateria ou fonte retificada).
  • Rf (Reostato de campo): Controla a corrente de campo e, portanto, a tensão de saída.
  • MP (Máquina Primária): Fornece energia mecânica e controla a velocidade.
  1. Gerador Autoexcitado:
  • As bobinas de campo são alimentadas por uma parte da própria corrente gerada no induzido.

O Processo de Autoexcitação (Escorvamento)

• Para que um gerador se autoexcite, é necessário o Magnetismo Residual (ou Remanescente) nos polos.
• Ciclo de Escorvamento:
  1. O magnetismo residual gera uma pequena F.E.M. inicial ($E_a$ baixa).
  2. Essa F.E.M. gera uma pequena corrente de campo ($I_f$).
  3. A corrente de campo aumenta o fluxo magnético ($ϕ$).
  4. O aumento do fluxo aumenta a tensão de saída ($E_a = ϕ \times N \times K$).
  5. O processo se repete sucessivamente até atingir a tensão nominal. Quando estabiliza, diz-se que o gerador escorvou.
• Causas que impedem o escorvamento:
  • Ligação invertida das bobinas de campo (o campo gerado cancela o residual).
  • Magnetismo residual muito fraco (requer reimantação com fonte externa).
  • Reostato de campo com resistência excessivamente alta.