1 4 Fontes Geradoras de Energia Elétrica - Geradores

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1.4 Fontes Geradoras de Energia Elétrica – Geradores Elétricos 
 
Nesta seção você vai estudar: 
• A geração de energia elétrica por meio de geradores. 
• Os geradores de corrente contínua e suas características de funcionamento. 
• Os alternadores de corrente contínua e seus principais componentes. 
• Os alternadores de corrente alternada e seus padrões de funcionamento. 
• As unidades de controle de velocidade (CSD) e os geradores integrados (IDG). 
• O funcionamento dos inversores estáticos. 
• A descrição dos circuitos elétricos de aeronaves. 
 
1.4.1 Geradores de corrente contínua 
 
Diferente das baterias, que convertem energia química em energia elétrica, os 
geradores são equipamentos mecânicos que tem a função de converter energia mecânica 
em energia elétrica. Eles produzem corrente alternada e continua, dependendo do campo 
de aplicação. Para isso, possuem um conjunto composto por bobinas de campo, 
armadura, anéis coletores ou comutadores (geradores de corrente contínua) e em alguns 
casos escovas de carvão ou grafite. A Figura 9 mostra as partes que compõem um destes 
geradores. Na primeira foto podem-se ver as bobinas de campo instaladas nas paredes 
internas da carcaça do gerador, elas são reesposáveis por induzir o campo magnético nas 
bobinas (Coils) da armadura vista na foto seguinte. O comutador (commutator) esta 
ligado às bobinas da armadura servindo de superfície de contato para o transporte da 
corrente gerada. 
 
 
Título: Seção 1.4 Fontes Geradoras de energia Elétrica - Geradores 
 
Autor: Luis Henrique Santos 
 
 
Figura 9: Bobinas de campo de um gerador e o conjunto armadura-comutador. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
As escovas, apresentadas na Figura 10, também fazem parte do conjunto e 
desempenham papel importante no gerador. Elas são fabricadas de carbono e são a 
ponte de contato entre o comutador ou anéis coletores e os terminais do gerador que o 
ligam ao circuito elétrico da aeronave. É muito importante que as escovas estejam bem 
assentadas na superfície de trabalho para que haja o melhor contato e consequentemente 
a melhor condução. Instalações deficientes podem ocasionar centelhamento durante a 
operação do gerador danificando a superfície de contato. 
 
 
Figura 10: escovas utilizadas em geradores e alternadores. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
Geradores de corrente contínua (CC) transformam energia mecânica em energia 
elétrica. Como o próprio nome já diz, este tipo de gerador produz corrente contínua por 
meio da indução eletromagnética sendo muito utilizado em aeronaves de pequeno porte. 
Como já foi discutida, a base de funcionamento de geradores elétricos reside na 
intensidade da força eletromagnética sobre um condutor elétrico, no comprimento deste 
condutor e na velocidade de rotação do condutor dentro do campo. As interações entre 
estas variáveis ocasionará a geração de tensão alternada na qual o padrão do sinal é 
mostrado na Figura 9. 
 
 
 
Figura 9: Padrão de sinal de corrente alternada. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
 Porém, para que este sinal se torne um sinal contínuo, torna-se necessário o uso 
de dispositivos conversores como os comutadores. Os comutadores já foram abordados 
ao longo do texto e possuem a função de converter corrente alternada em contínua. Esse 
processo ocorre por meio das ranhuras existentes em seu corpo. As ranhuras podem ser 
vistas com detalhes na Figura 10. Quando as escovas estão em contato com a superfície 
do comutador elas dão origem ao padrão de sinal mostrado no gráfico na mesma figura. 
Nota-se que nele não há mais a existência do semi-ciclo inferior da onda senoidal. Isso 
caracteriza a conversão da corrente alternada para contínua. É interessante ressaltar que 
a diferença básica entre um gerador de corrente alternada e um gerador de corrente 
contínua esta superfície de captura do sinal de tensão. Para que a saída seja alternada 
basta que ela seja lisa, sem as ranhuras existentes no comutador. 
 
Figura 10: Detalhes do comutador utilizado em geradores de corrente contínua e o padrão do sinal de 
corrente gerada por ele. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
A Figura 11 mostra um típico gerador de 24 volts utilizado na maioria das 
aeronaves de médio porte. Pode-se notar que eles possuem uma construção robusta e 
ventilação para troca de calor. 
 
Figura 11: Gerador 24 volts utilizado em aeronaves de médio porte. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
1.4.1 Alternadores de corrente contínua 
Os alternadores de corrente contínua são montado a partir de dois importantes 
componentes: as bobinas de campo (Field) e a armadura de campo (Armature winding). 
As bobinas de campo giram dentro da armadura produzindo força eletromotriz (tensão 
elétrica) por meio da indução eletromagnética. Eles são normalmente menores que os 
geradores sendo muito utilizado nos motores Otto que equipam aeronaves de pequeno 
porte. A Figura 12 mostra um alternador instalado em um motor seis cilindros modelo 
IO-360 fabricado pela Lycoming. No detalhe ao é possível observar que ele não possui 
comutador como o gerador, mas anéis coletores (slip rings). 
 
Figura 12: Alternador instalado em um motor aeronáutico que equipa aeronaves de pequeno 
porte. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
É interessante ressaltar que o sinal de tensão gerado pelas bobinas de campo do 
alternador é senoidal havendo a necessidade de conversão para o sinal contínuo. Assim, 
diferente do gerador de corrente contínua que utiliza o comutador para tal tarefa, o 
alternador faz uso de uma ponte de diodos para fazer a conversão. Esta ponte que 
também é conhecida como retificador de corrente contínua. A Figura 12 mostra o 
esquema elétrico de um alternador. Nela, podem ser visualizadas as bobinas da 
armadura, as bobinas de campo e o conjunto de diodos que forma a ponte retificadora 
(rectifier assembly). O sinal de tensão senoidal, na entrada do retificador, é mostrado 
nesta figura ao lado do esquema elétrico. Abaixo dele, pode-se verificar o sinal de 
tensão após a retificação. 
 
 
Figura 12: Esquema elétrico de um alternador e padrões de sinal de tensão antes e após a retificação. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
 
1.4.2 Alternadores de corrente alternada 
Alternadores de corrente alternada são encontrados em aeronaves de grande 
porte como, por exemplo, os jatos 737, 757, 767 fabricados pela Boeing e os modelos 
310, 319,320 fabricados pela Airbus. Isso porque estas aeronaves possuem um sistema 
elétrico composto de diversos componentes que demandam uma grande quantidade de 
energia elétrica. Normalmente, estas aeronaves possuem um gerador instalado por 
motor e outro na unidade de força auxiliar (APU). Em alguns casos ainda existe uma 
unidade de emergência (Ram Air Turbine - RAT) que é acionada em casos extremos. 
Ela possui um conjunto de hélices, que ao estar exposta ao fluxo de ar durante o voo, 
coloca em operação um gerador de corrente alternada para suprir sistemas básicos da 
aeronave. 
Os geradores de corrente alternada utilizados em aeronaves produzem um sinal 
de saída trifásico para cada revolução. Este padrão de sinal pode ser visto na Figura 13. 
Trata-se de um sinal parecido com o produzido pelo alternador. A diferença é que neste 
caso ele não é retificado para contínuo. Outro dado importante é sobre a diferença de 
fase entre cada saída e a frequência de operação. A diferença entre as tensões utilizadas 
nas aeronaves atuais (115 volts) é de 120° e a frequência, que possui relação direta com 
a rotação dogerador é mantida em 400 Hz. Se a rotação variar a frequência também 
sofrerá variação. 
 
 
Figura 13: Sinal de saída de um gerador de corrente alternada após uma rotação completa. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 Os modernos geradores não possuem as escovas ou anéis coletores comumente 
vistos nos alternadores. Nesta arquitetura o fluxo de energia elétrica e transferida do 
rotor para o coletor do gerador por meio de força eletromagnética. Esta característica 
reduz perdas durante a operação e minimiza a frequência de manutenção do 
equipamento. A Figura 14 mostra um destes geradores. Eles são instalados na caixa de 
engrenagem dos motores que equipam a aeronave. Estas caixas de engrenagens que são 
conhecidas como gear box estão ligadas diretamente ao motor acompanhando sua 
rotação. 
 
Figura 14: Gerador elétrico de corrente alternada utilizados em aeronaves de grande porte. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
Um grande problema que os projetistas enfrentaram durante os testes destes 
geradores foi como manter estável a rotação do gerador uma vez que o motor varia sua 
rotação constantemente. A solução foi criar componentes que funcionam como interface 
entre o gerador e o motor. Eles são as unidades de controle de velocidade (control speed 
drive – CSD). Os geradores que possuem estas interfaces integradas são chamados 
alternadores assistidos ou alternate drive. Um exemplo destes componentes é a unidade 
de gerador integrada (integrated drive generator – IDG) que equipa o modelo 737 da 
Boeing. 
 
1.4.4 CSD e IDG 
 
A CSD e a IDG são exemplos de alternadores assistidos utilizados nos grandes 
jatos atuais. Elas são responsáveis por manter a frequência do gerador em 400 Hz 
independente da rotação do motor. Para isso, elas fazem usos de conjuntos de 
engrenagens que se acoplam mudando a relação de rotação do alternador no momento 
em que o motor sofre alterações em sua rotação. É interessante ressaltar que o 
mecanismo de mudança das engrenagens no controlador de velocidade funciona por 
força hidráulica, proveniente de sinais de pressão de óleo do motor. Desta forma, 
quando o motor da aeronave sofre uma aceleração, consequentemente a pressão do óleo 
se elevará. Esta elevação na pressão de óleo é sentida pelos mecanismos do controlador 
de velocidade que imediatamente muda a relação de engrenagens para manter a 
frequência do alternador em 400 Hz. 
A Figura 15 mostra uma CSD e uma IDG. A diferença básica entre as duas é que 
a CSD é acoplada ao alternador e a IDG contém o gerador em seu interior. Esta 
constatação também pode ser feita visualmente. Verificando a figura da IDG podem-se 
encontrar os terminais elétricos do alternador (terminal block). Na sequencia tem-se a 
Figura 16. Ela apresenta o conjunto interno de engrenagens de uma CSD que se ajustam 
para manter a frequência do alternador em 400 Hz. Também se pode observar nesta 
figura o conjunto composto pela base variável e pelos pistões responsáveis pela atuação 
das engrenagens no momento das mudanças. 
 
 
 
 
 
Figura 15: CSD e IDG utilizadas em aeronaves de grande porte. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
A Figura 17 mostra um conjunto CSD-gerador instalado em um motor CFM56-3 
que equipa o modelo 737-300 da Boeing e a Figura 18 o diagrama de funcionamento 
deste equipamento nesta aeronave. Observa-se que há sensores elétricos de proteção 
contra sobre temperatura (over heat switch) e baixa pressão de óleo (low oil pressure 
switch). 
 
 
Figura 16: Diagrama interno de uma CSD – acoplamento de engrenagens. 
Fonte: http://www.k-makris.gr/ 
 
 
 
Figura 17: Visão seccionada de uma CSD e instalação deste componente na aeronave. 
Fonte: Boeing Familiarization 737 Maintenance Training 
 
 
 
 
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1.4.5 Inversores estáticos 
 
Inversores estáticos são componentes utilizados nas modernas aeronaves 
comerciais como unidade para uso em situações de emergência. Diferente dos 
alternadores até aqui estudados, eles não são montados com partes móveis como o rotor 
havendo em sua construção a instalação de placas de circuitos impressas e componentes 
eletrônicos. Em outras palavras, os inversores estáticos são conversores eletrônicos que 
são alimentados com tensão e corrente contínuas das baterias e entregam para o sistema 
elétrico da aeronave tensão e corrente alternado. 
A Figura 19 mostra um típico inverso estático utilizado em aeronaves. Suas 
dimensões compactas permitem sua instalação juntamente a outros equipamentos 
elétricos da aeronave sem exigir muito espaço e elevar o peso. 
 
 
Figura 19: Inversor estático aeronáutico. 
Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
 
 
 
1.4.6 Regulação de tensão e corrente 
 
Todos os circuitos elétricos de aeronaves são desenhados para operar com a 
corrente e a tensão dentro de determinados limites. Estes valores recebem o nome de 
valores de operação ou valores nominais do circuito. Manter estes valores dentro da 
margem estabelecida pelo projeto da aeronave é importante, pois evita danos aos 
diversos componentes e equipamentos ao sistema elétrico estão ligados. 
A regulação de saída de um gerador ou alternador não é feita por meio do ajuste 
da intensidade do seu campo magnético através do controle dos valores da corrente das 
bobinas de campo. Assim, quanto maior for a corrente aplicada nas bobinas de campo, 
maior será a tensão de saída para o circuito da aeronave e vice-versa. Existem dois tipos 
de reguladores: os eletromecânicos e os transistorizados. Os reguladores 
eletromecânicos ainda são encontrados em aeronaves mais antigas e requerem 
manutenção constante. Os transistorizados requerem menos manutenção e possuem 
maior precisão na regulação. A Figura 20 mostra um circuito mostra o funcionamento 
básico de um regulador de tensão. Pode se observar que ao ajustar o resistor de controle 
do gerador (generator control), ajusta-se também a quantidade de corrente que é 
aplicada no circuito de campo (shunt field). Assim regula-se a tensão de saída do 
gerador. 
 
 
Figura 20: Esquema básico de um regulador de tensão 
 Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
 
Os reguladores possuem outras funções além de manter a tensão e a corrente 
dentro dos valores nominais. Dentre elas estão: proteção de sobre tensão, operação de 
paralelismo do gerador, proteção contra sobre excitação de campo, verificação da tensão 
diferencial e sensor de corrente de reversa. 
A proteção de sobre tensão funciona comparado o tempo toda a tensão de saída 
do gerador com o valor máximo nominal em que ele deve ser mantido. Caso a tensão de 
saída do gerador ultrapasse esse valore, o regulador atua reduzindo a corrente das 
bobinas de campo para retornar a tensão ao seu valor nominal. O paralelismo de 
geradores deve ser feito em aeronaves que possuem mais de um gerador alimentando o 
mesmo circuito elétrico. Ele é importante para que todos os geradores operem dentro 
dos mesmos valores nominais. Neste caso o regulador avalia as tensões de saída dos 
diversos geradores e atua na corrente das bobinas de campo para manter o paralelismo. 
Ainda tratando de aeronaves com múltiplos geradores, há para estes casos a 
proteção contra sobre excitação de campo. Ela ocorre quando a aeronave, durantesua 
operação perde um de seus geradores. Nestes casos os demais que continuaram 
funcionando elevam a corrente das bobinas de campo para compensar a perda. Esta 
função do regulador mantém o valor de corrente dentro de limites que não danifiquem 
as bobinas de campo. A verificação de tensão diferencial existe para monitorar os 
valores de tensão do gerador permitindo ou não que ele seja ligado aos barramentos 
elétricos da aeronave. Ele não será conectado à aeronave caso o valor de tensão de saída 
esteja fora do valor nominal e o regulador não consiga ajustá-lo por meio das bobinas de 
campo. 
Por fim, o sensor de corrente reversa. Quando um gerador falha durante a 
operação da aeronave, ele deve ser desconectado do barramento elétrico da aeronave. 
Caso ele não seja desconectado do barramento pelo piloto na cabine de comando da 
aeronave ou pelo automatismo do sistema de regulação, o sensor de corrente reversa 
funciona como uma desconexão emergencial. A Figura 21 mostra um regulador 
transistorizado, utilizado em aeronaves e sua posição em um circuito elétrico de 
regulação. Ele é responsável por cumprir as funções de regulação e proteção descritas 
no texto. 
 
Figura 20: Regulador de tensão aeronáutico. 
 Fonte: The Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe, 2012. 
1.4.7 Circuitos elétricos de aeronaves 
 
Como já foram abordados no início desta unidade, circuitos elétricos são 
compostos por fontes geradoras, condutores elétricos e a carga elétrica ou resistência. 
Esta estrutura básica é a mesma que compõem os circuitos de aeronaves de pequeno, 
médio e grande porte. A diferença entre eles reside apenas no número de barramentos 
ou seções de distribuição que cada um possui, assim como no automatismo e no valor 
total da carga do circuito. Para exemplificar esta discussão será analisado o diagrama 
elétrico mostrado na Figura 21. Ela mostra o circuito elétrico da aeronave modelo 737-
700. 
 
 
Figura 21: Circuito elétrico do 737-300. 
 Fonte: Avsim.net. 
 
Bateria Bateria 
Inversor estático 
O diagrama elétrico da Figura será dividido da seguinte forma para simplificar a análise: 
a) Geração de corrente alternada (AC) – Cor verde – Gen Drive 1 e Gen Drive 2. 
b) Geração de corrente contínua (DC) – Cor vermelha - Baterias. 
c) Transformação de corrente AC para DC Cor verde para magenta – TRU 1, TRU 
2, TRU 3. 
d) Transformação de corrente DC para AC – Cor vermelha para verde - Inversor 
estático. 
e) Circuito de distribuição AC – Cor verde - AC transfer bus 1 e 2 
f) Circuito de distribuição DC – Cor vermelha – DC bus e Battery bus. 
 
Analisando a dinâmica deste circuito verifica-se que quando os motores da aeronave 
não estão em funcionamento a corrente que supre os barramentos da aeronave é 
proveniente das baterias. Elas alimentam os barramentos de corrente contínua do avião 
onde estão conectados componentes essenciais ao voo. É importante ressaltar que um 
inversor estático também recebe corrente proveniente da bateria para seu 
funcionamento. Ele trabalha como uma alternativa para os componentes que necessitam 
de corrente alternada para seu funcionamento. O circuito da bateria, que também é 
conhecido como barra quente (hot bus) por estar em funcionamento independente da 
condição do motor, é considerado um barramento de emergência sendo utilizado em 
casos que todos os geradores AC da aeronave deixaram de funcionar. 
Quando os motores entram em funcionamento os geradores Gen Drive 1 e Gen 
Drive 2 são acionados alimentando as AC transfer bus 1 e 2. Estes barramentos são os 
principais da aeronave e distribuem corrente elétrica para o main bus 1 e 2 e service bus 
1 e 2. Os componentes como rádios, computadores e outros instrumentos e navegação 
estão distribuídos entre os barramentos principais (main bus). Outros como fornos, 
iluminação e aquecedores de água (boilers) estão conectados as galley bus. A service 
bus é responsável por alimentar o inversor estático e os carregadores das baterias. Há 
ainda os transformadores de corrente alternada para continua. Eles estão conectados as 
transfer bus. Toda esta distribuição não é feita por acaso. Sua arquitetura equilibra as 
cargas em diversos circuitos permitindo que os geradores não trabalhem 
sobrecarregados. Além disso, os barramentos agrupam os componentes da aeronave de 
acordo com sua importância para o voo. Assim, caso haja uma emergência, como a 
perda de um dos geradores em voo, alguns barramentos não essenciais são desligados 
para não sobrecarregar o gerador ainda ativo. Este automatismo é feito pelo regulador 
de tensão. 
 
 
Bibliografia Básica 
U.S DEPARTMENT OF TRANSPORTATION; FEDERAL AVIATION 
ADMINISTRATION. Aviation Maintenance Technician Handbook, Vol. 1 and Vol.2 - 
2012. 
MOIR, Ian; SEABRIDGE Allan. Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and 
Avionics Subsystems Integration. In:_____. Third Edition, 2008 John Wiley & Sons. 
ROSKAM, J., Airplane design, parts I-VIII, Roskam Aviation and Engineering 
Corporation, Ottowa, Kansas, 1985; Raymer, D.P., Aircraft design: a conceptual 
approach, AIAA educational series, Washington DC, 1989. 
 
Bibliografia Complementar 
STAPELBERG, R.F. Handbook of reliability, availability, maintainability and safety in 
engineering design. Springer : London, 2009. 
WU, H. et al. Methods to reduce direct maintenance cost for commercial aircraft. 
Aircraft Engineering and Aerospace Technology. v.76, n.1, p. 15-18, 2004. 
JENKINSON, R. Lloyd; SIMPKIN, Paul; RHODES, Darren. Civil Jet Aircraft Design. 
In:______. 1. ed. Great Britain in 1999 by Arnold, Hodder Headline Group, 338 Euston 
Road, London.