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Technical Article: Como funciona um sistema de carregamento de motocicleta – ElectroSport

O básico de um sistema de carregamento de motocicleta
Em quase todas as motocicletas você encontrará uma bateria, usada para fornecer energia para ligar a moto e para amortecer uma quantidade de energia elétrica. A bateria em si é carregada por um gerador movido pelo motor, e enquanto o motor estiver em funcionamento haverá uma corrente a fluir através da bateria. A voltagem sem carga de uma bateria totalmente carregada é de cerca de 13 Vdc. Para carregá-la o sistema de carga deve fornecer uma tensão de cerca de 14,4 Vdc e esta deve ser uma tensão constante em todas as velocidades do motor.
O próprio gerador está localizado dentro ou sobre o motor, e na maioria das bicicletas existe uma unidade reguladora-retificadora separada localizada em algum lugar no quadro. A razão para isto é que quase todas as motos estão equipadas com um gerador CA (Corrente Alternada) trifásico, enquanto que o sistema eléctrico da moto é um sistema CC (Corrente Contínua). A parte retificadora dentro do regulador-retificador se encarrega de converter a corrente AC para a corrente DC que a bateria necessita. O gerador CA trifásico é usado com tanta freqüência porque é muito mais eficiente e confiável do que um gerador CC. Ele pode produzir energia para carregar a bateria, mesmo com o motor em marcha lenta. A parte reguladora do regulador-retificador é usada para regular a tensão de saída (para a bateria) para o 14,4 Vdc que é necessário.
O Sistema Gerador de Imã Permanente
Um gerador em uma bicicleta está produzindo esta energia elétrica porque tem um enrolamento de fio de cobre no estator (a parte estática do gerador) que está localizado dentro de um campo magnético variável. O gerador mais simples utiliza um volante que funciona no virabrequim com um par de ímãs no seu interior. Nós chamamos este volante com seus ímãs embutidos de rotor.

FIGURA 1: GERADOR PERMANENTE MAGNET
Os próprios ímanes têm orifícios norte e sul e o volante está a rodar em torno do estator. O estator é um núcleo metálico com muitos pólos metálicos que têm enrolamentos de fios de cobre sobre eles. Como o volante está girando e há orifícios norte e sul dentro dele, os enrolamentos do estator são expostos primeiro a um pólo norte, depois a um pólo sul, depois novamente a um pólo norte, etc. Este é o campo magnético variável que é necessário para que o próprio enrolamento produza corrente alternada. Os enrolamentos em si são conectados em uma estrela (um enrolamento tem duas extremidades e as três extremidades dos três enrolamentos diferentes são conectadas juntas) de modo que o estator tem apenas três fios de saída que emergem dele.
Esta configuração de gerador nós chamamos um gerador de ímã permanente. Isto é porque o volante contém ímãs que são magnéticos o tempo todo. A saída de um determinado estator depende da velocidade do motor (quanto maior a velocidade da variação do campo magnético, maior a saída do estator), e da força do campo magnético (que é constante) Basicamente o estator produz uma certa saída a uma certa rpm.
Então a corrente AC é conduzida através do retificador dentro da unidade reguladora-retificadora. O retificador converte as três fases AC em uma única saída de 14,4 Vdc, uma terra e uma positiva. Como o estator está produzindo energia de acordo com a velocidade do motor, a saída do estator é muito alta o tempo todo. Isto significaria que a tensão de saída do retificador-regulador seria muito superior a 14,4 Vdc o tempo todo, o que resultaria em uma bateria sobrecarregada e explodindo componentes elétricos na moto que deveriam funcionar com uma tensão entre 12 e 15 Vdc.
Felizmente há também uma parte do regulador dentro de um retificador-regulador. O regulador olha para a voltagem DC através dos terminais da bateria e faz curto-circuitar uma certa quantidade de energia que é produzida pelo estator para a terra. Isto é regulado constantemente, portanto a tensão de saída do regulador-retificador (que idealmente é a mesma que a tensão através dos terminais da bateria) permanece o tempo todo em 14,4 Vdc. O gerador-imã permanente não é muito eficiente, mas é muito simples e bastante confiável. Um dos problemas com estes sistemas é o curto-circuito do excesso de potência em si. Isto é feito pelo regulador-retificador e esta parte tem que dissipar a potência que ele curto-circuita para o chão, o que significa que vai ficar muito quente. Isto é feito principalmente por causa do regulador e em parte pelos próprios diodos retificadores que ficam quentes só por causa da corrente que flui através dele. Os internos do retificador-regulador precisam ser construídos para que o calor seja transferido eficientemente dos próprios componentes eletrônicos para a carcaça da unidade, a maioria equipada com aletas de resfriamento. Este é o bit mais importante no projeto de um regulador-retificador para uso em um gerador de imã permanente-conjunto.
A parte do regulador-retificador-regulador precisa medir a tensão DC em algum lugar do sistema. Nas unidades construídas mais baratas (muitas das mais baratas) isto é feito não medindo a tensão DC no sistema DC, mas olhando para a tensão AC entre uma fase do estator e o solo, e às vezes o excesso de energia é curto-circuitado para o solo a partir de apenas uma ou duas fases AC de entrada em vez de todas as três fases que são reguladas. As unidades melhor construídas medem a tensão de saída da própria unidade e regulam a CA de entrada de acordo com isso, encurtando mais ou menos a alimentação para a terra, uma quantidade igual das três fases.

FIGURA 2: GERADOR DE MAGNET PERMANENTE
Algumas unidades usam um fio de entrada extra (FIGURA 2) para medir a tensão DC. Isto é feito para compensar uma queda de tensão que pode ocorrer devido a uma má conexão nos cabos da saída do retificador-regulador para os terminais da bateria. Estes cabos carregam uma corrente alta e qualquer má conexão aqui resultará em uma tensão menor nos terminais da bateria.
O cabo extra carrega uma corrente muito menor e o resultado desta configuração é que a tensão de saída do retificador-regulador será maior, a mesma tensão DC que a queda de tensão nos cabos de corrente alta mais 14,4 Vdc. Tem a vantagem de que a bateria irá carregar, apesar de uma conexão ruim, mas tem a desvantagem de que os cabos de alta corrente podem eventualmente queimar por causa disso, sem que o proprietário nem perceba de antemão que há um problema no circuito.
Uma coisa a ter em mente é que a potência de saída fornecida pelo estator-voltagem é entregue entre as fases. O aterramento no sistema de carga é a saída negativa do retificador. A parte AC do sistema trifásico está flutuando a partir da terra. Isto significa que o teste da saída AC precisa ser feito ENTRE duas das três fases, e não de uma fase para a terra.
O Sistema Gerador Controlado por Campo
O outro sistema usado em motocicletas é o gerador controlado por campo. O próprio sistema funciona sobre os princípios como um gerador de ímãs permanentes, a única grande diferença é que não há ímãs permanentes, mas sim um eletroímã que fornece o magnetismo necessário. (Este magnetismo é normalmente chamado de “campo”) O eletroímã é um único grande enrolamento em um núcleo metálico que fica magnetizado assim que há corrente contínua fluindo através do enrolamento, fornecido pela bateria. Um gerador de carro usa basicamente o mesmo sistema.
Na maioria dos sistemas controlados pelo campo, este núcleo metálico tem pernos de garra e dois anéis deslizantes. Tudo gira com o virabrequim, com o enrolamento do estator (assim como o estator de imã permanente) em torno dele. Imagine olhar para o lado externo do rotor de lado. Você verá duas peças de metal prensadas juntas com um enrolamento no meio. Quando você aplica a voltagem da bateria através da mola, o rotor se comportará como um grande eletroímã, e o lado esquerdo do rotor dirá um pólo norte, então o lado direito será um pólo sul. No meio, você pode ver as peças sobrepostas, ou seja, quando o rotor gira primeiro haverá um pólo sul passando, depois um pólo norte, depois um pólo sul, etc. Este é o campo magnético variável necessário para gerar a corrente alternada no enrolamento do estator. A saída CA trifásica do enrolamento do estator é conduzida através de um retificador (dentro da unidade regulador-retificador) para convertê-la em CC para carregar a bateria.

FIGURA 3: CAMPO SUBSTITUÍDO
Regulação é feita pelo regulador-parte do retificador-regulador. Ele detecta a tensão no sistema eléctrico da bicicleta e quando a tensão é inferior a 14,4 Vdc ele liga no campo (ele liga uma alimentação de 12Vdc através da mola) Então há um campo magnético, então o estator vai produzir energia. Quando a voltagem no sistema da bicicleta atinge mais de 14.4 Vdc o regulador sente isso e simplesmente desliga o campo.Então a voltagem cairá porque o estator não produz mais nenhuma energia (não há variação do campo magnético). Quando a voltagem cai abaixo de 14.2 V, o regulador liga o campo novamente.
Este é um processo constante e o resultado é uma voltagem constante nos terminais da bateria de 14.4 Vdc. Como não há excesso de energia produzida pelo estator, este sistema é muito eficiente. O lado oposto é que não é tão simples e pequeno como um gerador magnético permanente. O enrolamento do campo normalmente tem um lado conectado ao positivo da bateria através do interruptor de ignição. Portanto, só há energia para o campo quando a ignição é ligada. A regulação é feita através da parte do regulador do retificador-regulador, ligando ou desligando a terra para o campo. Em algumas máquinas a regulação é feita ao contrário, então um lado do campo é sempre ligado à terra, e o outro lado é ligado ou desligado a uma alimentação positiva (através do interruptor de ignição) pelo regulador.
Gerador de Manutenção Livre de Campo Controlado
Algumas máquinas têm uma regulação ligeiramente diferente. Então o estator está localizado dentro de uma tampa, assim como o enrolamento do campo no meio dela. No meio gira um pólo de garra de ferro acionado pelo motor. O pólo da garra é magnetizado pelo enrolamento do campo e o sistema funciona como o controlado pelo campo, como explicado acima. A diferença é que o campo não gira, por isso não precisa de ser alimentado por anéis deslizantes e escovas, o que o torna praticamente livre de manutenção. O lado oposto desta configuração é o espaço de ar extra entre a bobinagem de campo e o pólo de garra. Normalmente você tem uma folga de ar muito estreita entre o rotor e o estator que é necessária para deixar o rotor girar livremente. Esta folga precisa ser a menor possível, quanto menor a folga, mais eficiente é o funcionamento do gerador. Neste sistema sem manutenção existe uma folga extra, por isso este sistema é menos eficiente.
O Gerador Controlado por Unidade de Campo
A última variante deste sistema é um gerador do tipo automóvel que é aparafusado ao motor da bicicleta como uma única unidade. As únicas conexões a ele são a saída positiva – chumbo para a battery-plus e um chumbo de fornecimento do interruptor de ignição para o regulador no interior, para que o regulador possa ser ligado e desligado quando o motor não está em funcionamento, e pode sentir a tensão no sistema elétrico da moto neste fio. Às vezes há um terceiro fio que vem dele, que é um fio de terra, para o quadro ou para o negativo da bateria. Portanto, como o retificador e o regulador estão embutidos no próprio gerador, só há tensão DC (14,4 Vdc) vindo deste gerador.