Os geradores DC, também chamados de dínamos, convertem energia mecânica em corrente contínua. Essas máquinas têm sido fundamentais para a geração de eletricidade há muitos anos. Neste artigo, examinaremos o princípio de funcionamento e o projeto dos geradores CC e examinaremos os conceitos básicos e componentes que permitem sua operação eficaz.
Princípio do gerador de corrente contínua
Um gerador elétrico é uma máquina que converte energia mecânica em energia elétrica. A conversão de energia é baseada no princípio de formação de uma força eletromotriz induzida dinamicamente. Como pode ser visto na Figura 1, uma força eletromotriz induzida dinamicamente surge em um condutor que interrompe o fluxo magnético, o que corresponde às leis de Faraday de indução de força magnética. Esta força eletromotriz faz com que a corrente flua quando o circuito condutor está fechado.
Portanto, os dois elementos básicos essenciais de um gerador elétrico são um campo e um ou mais condutores que podem se movimentar e interromper o fluxo.
Construção de um gerador de corrente contínua
A ilustração acima mostra uma bobina retangular de cobre ABCD de uma volta girando em torno de seu eixo em um campo magnético criado por um magnetron ou por eletroímãs. As duas extremidades da bobina são conectadas a dois anéis coletores, “a” e “b”, que ficam isolados um do outro e do eixo central. Duas escovas coletoras (feitas de carbono ou cobre) pressionam os anéis coletores. Sua função é coletar a energia gerada na bobina e direcioná-la para o resistor de carga externo R. A bobina rotativa também é chamada de “armadura” e os ímãs são chamados de “ímãs de campo”.
Como funciona um gerador DC
Imagine a bobina girando no sentido horário, conforme mostrado na Figura 2. À medida que a bobina assume posições sucessivas dentro do campo, ela altera o fluxo associado a ela. Portanto, nele é induzida uma força eletromotriz, que é proporcional à velocidade de mudança nas ligações de fluxo (e = NdΦ dt).
Uma vez que o plano da bobina é perpendicular às linhas de fluxo, ou seja, uma vez na posição 1, o fluxo associado à bobina é mais forte; no entanto, a taxa de alteração das ligações fluviais é mínima.
Isto ocorre porque nesta posição os lados AB e CD da bobina não interceptam ou cortam o fluxo. Em vez disso, eles deslizam sobre eles, ou seja, movem-se paralelamente a eles. Portanto, nenhuma força eletromotriz é induzida na bobina. Tomamos este zero eletromotriz ou posição vertical da bobina como posição inicial. Os ângulos de rotação ou tempo são medidos a partir desta posição. À medida que a bobina continua a girar, a taxa de variação nas ligações de fluxo aumenta até que a posição três seja alcançada, onde θ = 90º. Aqui o plano da bobina é horizontal, ou seja, paralelo às linhas de fluxo. Como você pode ver, o fluxo associado à bobina é o mais baixo. No entanto, a taxa de mudança das ligações de fluxo é a mais alta. Portanto, nesta posição, a força eletromotriz máxima é induzida uma vez na bobina, conforme mostrado na Figura 3.
No próximo quarto de volta, ou seja, de 90º a 180º, o fluxo associado ao enrolamento aumentará gradativamente. No entanto, a taxa de mudança nas ligações fluviais está a diminuir. Portanto, a força eletromotriz induzida diminui gradativamente até ser reduzida a zero na posição cinco da bobina.
Direção da corrente induzida
Assim, descobrimos que dentro de meia revolução da bobina, nenhuma força eletromotriz é induzida uma vez na posição 1, uma vez na posição 3 e uma vez na posição 5. As direções desta força eletromotriz induzida são frequentemente determinadas pela aplicação da regra da mão direita de Fleming, que dá a direção de A para B e de C para D. Portanto, a direção do fluxo da corrente é ABMLCD. A corrente através do resistor de carga R flui de M para L durante toda a primeira revolução da bobina.
Inversão da direção atual
Na revolução seguinte, ou seja, de 180º a 360º, as variações na magnitude do quadrado da força eletromotriz são quase tão grandes quanto na metade da revolução. Sua taxa é mais alta quando a bobina está na posição 7 e mais baixa quando está na posição 1. Porém, pode-se observar que o sentido da corrente induzida é de D para C e de B para A, conforme mostrado na Figura 1. Portanto, a direção do fluxo atual está em DCLMBA, que é simplesmente o inverso da direção do fluxo anterior. Portanto, descobrimos que a corrente que obtemos de um gerador tão simples inverte o seu sentido a cada revolução. Tal corrente que sofre reversões periódicas é considerada uma corrente alternada. É obviamente diferente de uma corrente contínua, que flui indefinidamente em uma e, portanto, na mesma direção. Deve-se notar que a energia elétrica não apenas inverte a direção; não mantém seu tamanho constante quando flui em qualquer direção. Os dois meios ciclos também são chamados de meios ciclos positivos e negativos.
Uso de anéis divididos
Para simplificar o fluxo de corrente no circuito externo, os anéis coletores são substituídos por anéis de desgaste, conforme mostrado na Figura 4 acima. Os anéis bipartidos consistem em um cilindro condutor dividido em duas metades ou segmentos, que são isolados um do outro por uma fina camada de material translúcido ou outro material isolante, conforme mostrado na Figura 5.
Inversão da direção da corrente com anéis divididos
Como antes, as extremidades da bobina são conectadas perpendicularmente aos segmentos sobre os quais repousam as escovas de carbono ou cobre. Na Fig 6, vimos que durante a meia revolução a corrente flui (ABMNLCD), ou seja, a fase transportadora da escova nº 1 “a” atua como fim positivo de disponibilidade e “b” como fim negativo. A direção da corrente induzida na bobina foi invertida durante a próxima revolução. Porém, com tempo constante, as posições dos segmentos “a” e “b” também foram invertidas, fazendo com que a escova nº 1 entre na fase positiva, ou seja, fase “b” neste caso. Portanto, a corrente no resistor de carga flui novamente de M para L. A onda da corrente através do circuito externo é mostrada na Fig. Esta corrente é simples, mas não contínua como a eletricidade pura.
Efeito retificador de anéis divididos
Ressalta-se que a posição das escovas é organizada de tal forma que a mudança dos segmentos “a” e “b” de uma escova para outra ocorre assim que o plano da bobina giratória fica perpendicular ao plano das linhas de fluxo. Isto ocorre porque nesta posição a força eletromotriz induzida na bobina é zero.
Tensão induzida e corrente alternada
Outro objetivo importante da memória de preços é garantir que a corrente induzida nos lados da bobina alterne suavemente. Somente através do efeito de retificação dos anéis divididos (comutador) ele se torna simplex no circuito externo. Portanto, deve ficar claro que a tensão induzida varia mesmo na bobina de um gerador CC.
