Geradores de corrente contínua

Geradores de corrente contínua

(Parte 1 de 3)

© Manuel Vaz Guedes, 2001pp. 1–13

Geradores de Corrente Contínua Aspectos Construtivos e de Manutenção

Manuel Vaz Guedes m gerador de corrente contínua constitui um sistema de conversão de energia mecânica em energia eléctrica que para funcionar bem necessita de um conjunto de cuidados na sua aplicação, o que obriga ao conhecimento dos aspectos construtivos desse tipo de máquinas eléctricas: máquinas eléctricas de colector de lâminas para corrente contínua.

Durante a utilização de um gerador de corrente contínua pode ocorrer todo um conjunto de fenómenos que alterem o comportamento dos diferentes elementos constituintes da máquina — circuito magnético, circuito eléctrico e os orgãos mecânicos. Por isso há necessidade de periodicamente verificar o comportamento destes elementos através de inspecções visuais ou de ensaios, o que constitui um conjunto de medidas de prevenção integradas na manutenção do sistema eléctrico em que o gerador de corrente contínua está inserido.

uma máquina eléctrica de corrente contínua tem um aspecto construtivo característico: é o sistema

Geradores de Corrente Contínua — aspectos construtivos e de manutenção2. © Manuel Vaz Guedes, 2001 colector de lâminas–escovas que não só assegura o contacto entre a parte móvel e a parte fixa da máquina, mas também promove a rectificação da forma de onda da força electromotriz gerada nos condutores. A existência deste sistema de contacto, devido ao seu efeito de comutador, dá características de funcionamento próprias a este tipo de máquina eléctrica. Mas, também, constitui o órgão da máquina que tem mais inconvenientes, principalmente pelos cuidados de manutenção a que obriga.

AB

Pólo Condutor Escova N

X • Xsempre

Nas máquinas eléctricas de corrente contínua, em que o campo magnético criado pelo circuito indutor é estacionário no espaço e constante no tempo, a força electromotriz que se induz em cada condutor (1 ou 2) do circuito eléctrico rotórico em movimento é variável no tempo— é alternada — e tem uma frequência que está relacionada com a velocidade de rotação da máquina. No entanto, a tensão nos terminais ligados às escovas (A, B) é constante no tempo — é contínua.

As correntes eléctricas que circulam no enrolamento rotórico são alternadas no tempo, mas têm a mesma direcção em cada ponto do cilindro base. A sua distribuição é constante no espaço.

Como o campo indutor é também constante no espaço resulta que a acção electromecânica, resultante da interacção entre o campo magnético e a corrente eléctrica no condutor, é unidireccional.

Actualmente a aplicação de modernos processos de projecto nas máquinas eléctricas de corrente contínua — projecto assistido por computador (CAD), análise computacional do campo electromagnético, optimização do projecto eléctrico e mecânico — e a utilização de modernas técnicas de fabrico e de controlo do fabrico — corte de chapa, maquinagem dos orgãos mecânicos, isolamento dos circuitos eléctricos, análise de defeitos — permitiram desenvolver máquinas de corrente contínua que apresentam boas características de funcionamento e menores necessidades de manutenção.

Apesar de existirem vários tipos característicos de máquinas eléctricas de corrente continua, essencialmente devido ás diferentes formas de ligação do circuito eléctrico indutor ao circuito eléctrico do induzido, actualmente apenas têm aplicação vulgarizada os geradores com excitação derivação e os geradores com excitação composta.

Geradores de Corrente Contínua — aspectos construtivos e de manutenção2. © Manuel Vaz Guedes, 2001

A análise dos aspectos construtivos dos geradores eléctricos de corrente contínua pode ser feita recorrendo à divisão deste sistema electromecânico de conversão de energia em: circuito magnético, circuito eléctrico orgãos mecânicos, conjuntamente com um estudo de alguns problemas electromecânicos ligados aos aspectos construtivos. O conhecimento de qualquer um dos aspectos construtivos permite compreender melhor as consequências da forma como tem de ser feita a condução do gerador e da extensão e da reparação das principais avarias, assim como a forma de prever a ocorrência dessas avarias.

Elementos Avariados enrolamentos72 % colector de lâminas12 % partes rotóricaso7 % mancaiso3 % outros componenteso6 %

Inspecção Visual

Os principais factores relacionados com a avaria do gerador são: deterioração dos componentes por envelhecimento; causas eléctricas; causas mecânicas; causas térmicas; e contaminação ambiental. Há que procurar as alterações do aspecto construtivo que indiciam a ocorrência de qualquer um daqueles factores.

Circuito Magnético

Para que o campo magnético possa actuar com a intensidade requerida sobre os elementos do circuito eléctrico, colocados em determinada zona da máquina eléctrica, é necessário criar um circuito magnético, isto é um conjunto de meios materiais, formado essencialmente por substâncias ferromagnéticas, constituindo um circuito fechado, através do qual um fluxo magnético se pode estabelecer com facilidade. Numa máquina eléctrica rotativa o circuito magnético será formado por uma parte colocada no estator e outra parte colocada no rotor e separadas por um entreferro.

No passado o circuito magnético estatórico era constituído pela carcaça, normalmente em ferro fundido, a que se juntavam os pólos magnéticos.

Na actualidade o circuito magnético de uma gerador de corrente contínua é constituído por um empacotamento de chapa magnética. No corte da chapa magnética, é imediatamente dada forma aos pólos magnéticos, indutores e de comutação. O circuito magnético rotórico é, também, formado pelo empacotamento de chapa magnética, com uma forma de coroa circular e na qual estão já recortadas as ranhuras abertas.

O material ferromagnético, utilizado na construção do circuito magnético é caracterizado por ter baixas perdas magnéticas razoável condutibilidade térmica e bom comportamento mecânico.

São valores típicos para a chapa magnética utilizada — chapa de ferro silicioso (< 3%) de cristais orientados laminadas a frio:

espessura = 0,5 mmindução de saturação = 1,7 Tdensidade de perdas = 2 W/kg a 1,5 T, 50 Hz massa volúmica = 7,8 x 103 kg/m3indução remanente = 1,0 Tresistividade = 40 x 10-8 Ω·m A principal preocupação no projecto do circuito magnético de uma máquina eléctrica de colector

Causas de Avaria defeito do produto35 % erro de condução45 % influências externas17 % defeito do enrolamento (envelh.)o3 %

Geradores de Corrente Contínua — aspectos construtivos e de manutenção2. © Manuel Vaz Guedes, 2001 de lâminas diz respeito às perdas magnéticas — perdas por histerese e perdas por correntes de Foucault —, que têm de ser reduzidas para diminuir o seu contributo para o aquecimento da máquina. Por isso na actualidade o circuito magnético do gerador de corrente contínua é folheado e funciona numa zona afastada da saturação magnética.

No passado o circuito magnético estatórico de uma máquina de corrente contínua era maciço, sendo os pólos postiços presos à carcaça por parafusos. Considerava-se que não existia variação no tempo do fluxo magnético, e portanto, eram diminutas e desprezáveis as perdas magnéticas estatóricas. Na actualidade, e devido ás preocupações sociais com a utilização racional da energia, mesmo essas pequenas perdas não são desprezadas, para ser aumentado o rendimento energético da máquina eléctrica.

Nas antigas máquinas de corrente contínua, os pólos indutores estavam integrados, isto é eram fundidos, com a carcaça. Depois utilizaram-se os pólos postiços, isto é, eram peças separadas que eram adaptadas e aparafusadas ou rebitadas à carcaça. A adaptação do pólo à carcaça consistia numa maquinagem que era feita de forma a reduzir o, eventual, entreferro no contacto entre o pólo e a carcaça.

Para as máquinas alimentadas em corrente contínua, na actualidade, o circuito magnético é constituída por um empacotamento de chapa magnética, de baixas perdas (2,3 a 1,6 W/kgm), com uma espessura de 0,4 a 0,5 m, e isoladas, individualmente, por silicatagem, por fosfatagem, ou por envernizamento. Para aumentar a firmeza do conjunto as chapas extremas podem ter uma maior espessura.

Os pólos indutores têm uma forma paralelepipédica no espaço, e são constituídos por um núcleo polar e pela expansão polar. A expansão polar sofre a influência do fluxo magnético de reacção do induzido, que é variável no tempo. Os pólos auxiliares de comutação não possuem expansões polares, têm, também, uma forma paralelepipédica no espaço e criam um entreferro maior do que o dos pólos indutores.

O circuito magnético rotórico é sempre

folheado, porque roda no interior do campo magnético indutor, ficando, assim, as suas partes sujeitas à influência de um fluxo magnético variável. As chapas do circuito magnético rotórico, com uma forma de coroa circular, são recortadas, numa forma rectangular, na periferia para formarem as ranhuras rotóricas, quando empacotadas, e possuem furos na superfície, destinados a formar canais de ventilação. As ranhuras do circuito rotórico têm uma forma rectangular, com uma saliência em "cauda de andorinha" de forma a

Geradores de Corrente Contínua — aspectos construtivos e de manutenção2. © Manuel Vaz Guedes, 2001 poderem levar umas réguas de material isolante, reglètes, que restringem o movimento dos condutores no interior da ranhura.

No circuito magnético não são de prever avarias que obriguem a especiais cuidados de manutenção, preventiva ou de reparação. No entanto, como o circuito magnético é formado por ajustamentos, ou por empacotamentos, de diferentes partes, nas revisões principais, ou durante uma reparação, convém verificar o estado de ligação e de sustentação dessas partes. Como consequência dos esforços electrodinâmicos inerentes a um curto-circuito da máquina podem resultar avarias mecânicas nos pólos auxiliares de comutação.

Inspecção Visual

Somente após uma grande acidente, como por exemplo um curto-circuito no gerador de corrente contínua, é que deve ser feita a inspecção visual do circuito magnético. Durante essa inspecção há que verificar o aspecto do empacotamento de chapa magnética, e dos parafusos de contenção.

Na sequência de outras avarias, como uma forte sobrecarga, há que detectar a presença de pontos do circuito magnético com cor alterada, sinónimo de zonas de aquecimento excessivo.

Circuito Eléctrico

Nas máquinas eléctricas de colector de lâminas o circuito eléctrico está dividido em duas partes: o circuito eléctrico estatórico e o circuito eléctrico rotórico. O circuito eléctrico estatórico está colocado em torno dos pólos indutores, em torno dos pólos auxiliares de comutação, ou em ranhuras nas expansões polares; enquanto que o circuito eléctrico rotórico está distribuído pelas ranhuras existentes na periferia exterior do circuito magnético rotórico e contacta com a parte estatórica da máquina através de um contacto colector de lâminas–escovas.

O material condutor utilizado nos circuitos eléctricos é o cobre, que é isolado por materiais para uma classe de isolamento elevada, (superior á classe de isolamento H que tem uma temperatura limite de 180 °C). Os materiais isolantes utilizados, são do tipo resina sintética, pertencentes ao grupo das poliamidas e das poliamidas aromáticas. São materiais sintéticos com uma boa estabilidade térmica, elevada condutibilidade térmica, boa resistência à humidade, boa resistência às descargas parciais e uma elevada rigidez dieléctrica.

Inspecção Visual

Os isolantes são um factor limitativo da vida útil de um gerador eléctrico. Há que observar os materiais isolantes, quanto aos sintomas do seu envelhecimento para prevenir avarias futuras ou detectar um mau funcionamento (avaria) no passado.

Circuito Eléctrico Estatórico

O circuito eléctrico indutor é constituído por bobinas de fio condutor isolado, que envolvem o núcleo polar. Estas bobinas estão cuidadosamente isoladas do material ferromagnético, por camadas de material isolante, e são impregnadas a quente sob pressão. Só excepcionalmente é que estas bobinas indutoras estão divididas em galètes; nesse caso devem ser bem apertadas e devem existir canais que permitam a circulação do ar de refrigeração entre elas.

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O circuito eléctrico dos pólos auxiliares de comutação, que é percorrido pela corrente eléctrica de carga da máquina, a corrente eléctrica que circula no enrolamento do induzido, é formado por uma bobina de fio, de secção elevada e com um pequeno número de espiras, que envolve o núcleo polar. Na sua construção atende-se aos problemas mecânicos criados numa situação de avaria por sobrecarga ou por curto-circuito.

A reparação de avarias ocorridas nos circuitos eléctricos estatóricos é mais fácil e barata do que as avarias que ocorrem nos enrolamentos do circuito rotórico. Qualquer avaria num dos circuitos eléctricos estatóricos pode ser reparada por simples e rápida substituição da bobina avariada.

Na manutenção, a revisão dos circuitos eléctricos estatóricos deve incidir sobre o envelhecimento dos isolantes, sobre a possível obstrução dos canais de ventilação entre bobinas, e sobre as ligações eléctricas das bobinas aos restantes circuitos eléctricos que devem assegurar um contacto eléctrico perfeito.

Inspecção Visual

Há que detectar:

• qualquer distorção das bobinas, o que indiciaria a actuação de esforços mecânicos anormais;

• possibilidade de deslocamento por má fixação das bobinas estatóricas;

• verificar a continuidade das ligações eléctricas.

Circuito Eléctrico Rotórico

O circuito eléctrico rotórico dos geradores eléctricos de corrente contínua é formado por um enrolamento distribuído pelas ranhuras existentes na parte externa do circuito magnético rotórico e está ligado às lâminas do colector, formando um circuito eléctrico fechado.

O tipo de enrolamento utilizado é um enrolamento imbricado, de multiplicidade simples, ou dupla, e com várias vias ou circuitos paralelos.

O enrolamento do induzido de um gerador eléctrico de corrente contínua é construído de forma a assegurar que nos condutores eléctricos, inseridos na ranhura que está em frente a cada polo magnético, se induza uma força electromotriz com um sentido tal que possa ser adicionada à força electromotriz que se induz no outro lado da espira, que estará inserida numa outra ranhura distante da primeira.

A forma e os métodos utilizados para distribuir e ligar os condutores nas ranhuras constitui a técnica de enrolamentos para as máquinas eléctricas de colector de lâminas.

O enrolamento do induzido desenvolve-se, ao longo da periferia do rotor em tambor, porque a sua distribuição sugere a disposição das cordas que esticam a pele de um tambor. Seguindo um percurso a partir de uma escova ao longo do enrolamento retorna-se ao ponto inicial, isto é, o enrolamento é fechado. Numa ranhura do enrolamento os condutores estão dispostos a duas camadas, porque em cada ranhura existe sempre um lado de ida e um lado de volta, relativamente à posição do colector.

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