UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR UFC CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA DISCIPLINA: MQUINAS ELTRICAS

PRTICAS DE MQUINAS DE CORRENTE CONTNUA

ALUNO: DANIEL COELHO VASCONCELOS

PROF.: BER DE CASTRO DINIZ SEMESTRE: 2010.2

SUMRIO1. Introduo........................................................................................................................................................... 4 2. Objetivo da prtica ............................................................................................................................................. 4 3. Introduo Terica.............................................................................................................................................. 5 4. Procedimento Experimental ............................................................................................................................... 9 5. Concluso ......................................................................................................................................................... 16 6. Referncias Bibliogrficas................................................................................................................................ 16

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Mquina de Corrente Contnua Elementar............................................................................5 Figura 2 - Circuito Equivalente de um Gerador CC em excitao independente................................7 Figura 3 - Motor CC com excitao em srie......................................................................................7 Figura 4 - Motor CC com excitao em paralelo.................................................................................8 Figura 5 - Motor CC com excitao composta (curta).........................................................................8 Figura 6 - Circuito Gerador CC com excitao independente sem carga............................................9 Figura 7 - Curva caracterstica de um gerador cc com excitao independente................................10 Figura 8 - Famlia de Curvas de Histerese.........................................................................................11 Figura 9 - Gerador CC auto-excitado sem carga................................................................................11 Figura 10 - Resistncias de Campo....................................................................................................12 Figura 11 - Escorvamento no gerador shunt.......................................................................................13 Figura 12 - Gerador CC auto-excitado com carga..............................................................................13 Figura 13 - Caractersticas de Carga de um gerador Shunt................................................................14 Figura 14 - Motor CC Auto-Excitado................................................................................................14 Figura 15 - Caractersticas Carga-velocidade.....................................................................................15

1. Introduo Este relatrio abordar as aulas prticas sobre mquinas de corrente contnua da disciplina de Mquinas Eltricas, dentre as prticas ser estudado as caractersticas de um gerador cc com excitao independente em vazio, gerador cc auto-excitado em vazio, gerador cc auto-excitado operando em carga e partida, regulao e controle de velocidade de um motor cc com excitao em separado. Sendo assim no decorrer deste relatrio com dados coletados em laboratrio sero mostrados atravs de grficos e tabelas os resultados dos procedimentos realizados e cada um seguir com seus devidos comentrios, a fim de explicar o que est acontecendo com cada circuito montado, sempre aproximando dos modelos estudados em sala de aula para cada tipo de ligao do circuito de armadura com o circuito de campo. 2. Objetivo das Prticas Levantar Caracterstica Interna da Mquina CC; Observar os Efeitos da Saturao; Observar os efeitos do Magnetismo Residual; Verificar os efeitos que a polaridade e a resistncia do campo paralelo tm no escorvamento da mquina. Observar os efeitos do magnetismo residual. Observar os efeitos da saturao. Levantar a curva caracterstica da mquina de corrente contnua auto-excitada. Traar a curva caracterstica tenso de armadura x corrente de armadura. Verificar o efeito da reao de armadura. Determinar a regulao de tenso de um GCC com excitao em paralelo. Partir um motor cc atravs de um reostato. Observar o comportamento da corrente de partida. Traar a curva caracterstica Velocidade x Corrente de Armadura. Determinar a regulao de velocidade. Observar os parmetros para controle de velocidade do motor cc

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3. Introduo Terica Mquina de corrente contnua uma mquina capaz de converter energia mecnica em energia eltrica (gerador) ou energia eltrica em mecnica (motor). A energia eltrica utilizada hoje em dia na distribuio e transporte da mesma a corrente alternada, porm os motores de corrente contnua tm tradicionalmente grandes aplicaes nas indstrias sendo que, so eles que permitem variao de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrnicos de tenso alternada j so capazes de controlar a velocidade do motor assncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicao esto substituindo os motores de corrente contnua na maior parte das aplicaes. 3.1 Partes Constituintes de Mquina de Corrente Contnua

Figura 01 Mquina de Corrente Contnua Elementar

Rotor (armadura) Parte girante, montada sobre o eixo da mquina, construdo de um material ferromagntico envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparao ao enrolamento de campo e o circuito responsvel por transportar a energia proveniente da fonte de energia. Anel Comutador Responsvel por realizar a inverso adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura, constitudo de um anel de material condutor, segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. O anel montado junto ao eixo da mquina e gira junto com a mesma. O movimento de rotao do eixo produz a comutao entre os circuitos dos enrolamentos. Estator (Campo ou excitao) Parte esttica da mquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Tambm constitudo de material ferromagntico, envolto em um enrolamento de baixa potncia chamado de enrolamento de campo que tem a funo apenas de produzir um campo5

magntico fixo para interagir com o campo da armadura. Em algumas mquinas comercializadas no mercado possvel encontrar enrolamentos de compensao que tem como funo compensar o efeito desmagnetizante da reao de armadura e enrolamentos de comutao que tem como funo diminuir o fascamento no anel comutador. Escovas Peas de carvo responsveis por conduzir a energia para o circuito do rotor. 3.2 Principio de Funcionamento 3.2.1 Operando como gerador de corrente contnua Quando se trata de um gerador, a energia mecnica suprida pela aplicao de um torque e da rotao do eixo da mquina, uma fonte de energia mecnica pode ser ,por exemplo, uma turbina hidrulica, uma turbina elica, etc. A fonte de energia mecnica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores eltricos dos enrolamentos de armadura e o campo magntico produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma variao temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir uma tenso entre os terminais do condutor. Desta forma, a energia mecnica fornecida ao eixo, armazenada no campo magntico da mquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada mquina. 3.2.2 Operando como Motor de corrente contnua No caso de motores, o funcionamento inverso: energia eltrica fornecida aos condutores do enrolamento da armadura pela aplicao de uma tenso eltrica em seus terminais pelo anel comutador(coletor), fazendo com que se circule uma corrente eltrica nesse enrolamento que produz um campo magntico no enrolamento da armadura. Como o corpo do estator constitudo de materiais ferromagnticos, ao aplicarmos tenso nos terminais do enrolamento de campo da mquina temos uma intensificao do campos magnticos no mesmo e, portanto, a produo de plos magnticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extenso do estator. Pela atuao do anel comutador que tem como funo alternar o sentido de circulao da corrente no enrolamento da armadura, quando aplicamos uma tenso no comutador, com a mquina parada, a tenso transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magntico e outros pares de plos no enrolamento da armadura. A orientao desse campo, ou seja, a posio do plo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tenso eltrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interao entre os campos magnticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentaro se alinhar, ou seja, o plo norte de um dos campos tentar se aproximar do plo sul do outro. Como o eixo da mquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator no estejam alinhados, surgir um binrio de foras que produzir um torque no eixo,6

fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicao da tenso, o que faz com que a corrente circule no sentido contrrio, mudando o sentido do campo magntico produzido. Assim, ao girar o anel comutador muda a posio dos plos magnticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produo do binrio de foras que mantm a mudana dos plos e conseqentemente o movimento do eixo da mquina. 3.3 Classificao das mquinas de corrente contnua segundo a maneira como se alimenta a mquina 3.3.1 Excitao independente ou separada Nesta configurao o circuito de excitao da mquina alimentada por uma fonte adicional independente ou separada da fonte de corrente contnua que alimenta a armadura. Em geral o enrolamento de campo que produz a excitao constitudo de condutores que no suportam grandes correntes, pois a excitao em geral utiliza correntes baixas para produzir o campo magntico em comparao com as correntes que circulam no enrolamento de armadura. Abaixo pode ser observado um circuito equivalente de um gerador cc com excitao independente:

Figura 02 Circuito Equivalente de um Gerador CC em excitao independente

3.3.2 Excitao srie O circuito do enrolamento de campo que produz a excitao est em srie com o circuito de armadura, sendo assim necessrio apenas uma fonte para alimentar o circuito de campo e da armadura. Como neste caso a corrente que circula no enrolamento de campo que produz a excitao a mesma corrente que circula no enrolamento da armadura, necessrio um enrolamento prprio para o circuito de excitao, capaz de suportar correntes relativamente altas da armadura. Abaixo pode ser visto o circuito equivalente de um motor cc em srie:

Figura 03 Motor CC com excitao em srie

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3.3.3 Excitao shunt ou em derivao O circuito do enrolamento de campo que produz a excitao est em paralelo ou em derivao com o circuito de armadura. Nesta configurao, necessrio apenas uma fonte de corrente contnua para alimentar o circuito de armadura e de campo, pois ambos os circuito esto em paralelo. Como o enrolamento de campo est em paralelo ou em derivao com o circuito de armadura, possvel utilizar o mesmo tipo de condutor do caso de excitao independente. Abaixo pode ser visto o circuito equivalente de um motor cc com excitao em paralelo:

Figura 04 Motor CC com excitao em paralelo

3.3.4 Excitao Composta Com dois enrolamentos de excitao, um em srie e outro em derivao, podendo existir o esquema de ligao longo ou curto e composto aditivo ou subtrativo. Neste esquema de ligao utiliza-se uma combinao da excitao srie e shunt, de forma a aproveitar os benefcios de ambas as ligaes. Em muitas aplicaes o enrolamento srie utilizado para compensar o efeito desmagnetizante da reao de armadura. Abaixo pode ser observado o circuito equivalente de um motor cc com excitao composta (curta):

Figura 05 Motor CC com excitao composta (curta)

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4. Procedimentos

A prtica 01 foi iniciada medindo-se os valores das resistncias de Campo e de Armadura, tendo um terminal uma resistncia de 393 ohms e o outro de 15 ohms, desta forma como a resistncia do circuito de Campo deve ser maior que a do circuito de armadura temos que a o primeiro terminal referente ao estator, enquanto que o segundo ao rotor. Depois de identificado os terminais foi montado o seguinte circuito:

Figura 06 Circuito Gerador CC com excitao independente sem carga

Como pode ser visto na figura acima a mquina de corrente contnua ser utilizada como gerador com excitao independente, sendo a mquina primria um motor de induo trifsico. Logo em seguida foi levantada a curva caracterstica da corrente de campo versus tenso de armadura do gerador cc, que pode ser observada pelo grfico abaixo que foi plotado no matlab:120

100

80 Tenso Terminal

60

40

20

0 0

0.5

1

1.5 2 Corrente de Campo

2.5

3

Grfico 01 Curva Caracterstica Corrente de Campo x Tenso Terminal

Onde: K uma constante, o fluxo por plo, N a velocidade em RPM e E a tenso terminal

Pelo grfico podemos dizer quanto maior a corrente de campo maior a tenso terminal e tal relao vm da frmula abaixo: E = K N

Como no estamos variando a velocidade da mquina primria a tenso gerada pode ser reduzida a frmula abaixo: E = K '9

Ficando assim dependente apenas do fluxo magntico que determinado pelo circuito de campo, desta forma a medida que aumentamos a corrente de campo, aumentamos o fluxo magntico por plo e conseqentemente a tenso gerada, no entanto o grfico 01 no mostra bem as regies de um curva caracterstica, pois os dados coletados abrangem apenas a regio linear do mesmo, no podendo assim ser observada a saturao j que o Gerador tem como tenso nominal 220 V. Para um maior entendimento pode ser observado a figura abaixo que mostra a curva caracterstica de uma mquina de corrente contnua

Figura 07 Curva caracterstica de um gerador cc com excitao independente

O grfico abaixo representa agora o caminho de ida e volta, ou seja, com o aumento da corrente de campo at 3 A e em seguida com a reduo de 3 A at 0.120

100

80 Tenso Terminal

60

40

20

0 0

0.5

1

1.5 2 Corrente de Campo

2.5

3

Grfico 2 Curva Caracterstica de ida e volta da Corrente de Campo x Tenso Terminal

No grfico acima temos em azul o que j mostrado no grfico 1, que foram os dados coletados com o aumento da corrente de campo e em vermelho temos o caminho de volta do mesmo, ou seja, os dados que foram coletados com a reduo da corrente de campo, realizando agora uma comparao entre o grfico 02 e a figura 07 vemos que os valores obtidos em laboratrio abrangem como j foi dito apenas a regio linear, no chegando ao joelho da curva (ponto c na figura 07), pois do ponto c ao d na figura 07 vemos que a medida que a corrente de campo aumentada a tenso gerada quase no alterada e isto se deve a saturao magntica (regio no-linear), ainda na figura 07 vemos que do ponto d ao ponto e momento este em que a corrente de campo comea10

a ser diminuda h um caminho diferente sendo percorrido essa diferena se deve ao efeito da histerese, que funciona como um efeito memria de fluxo no material ferromagntico, sendo assim uma propriedade do material ferromagntico. A histerese assim uma tendncia de um material ou sistema de conservar suas propriedade na ausncia de um estmulo que as gerou. Abaixo pode ser observado uma famlia de curvas de histerese:

Figura 08 Famlia de Curvas de Histerese

Onde B (eixo da ordenada) a densidade de fluxo magntico e H (eixo da abscissa) o campo magntico, fazendo uma analogia entre a figura 08 e a figura 07 temos que a corrente de campo que altera o campo magntico dos plos no estator, representa o campo magntico (H) e a tenso gerada que diretamente proporcional ao fluxo magntico representa a densidade de fluxo (B). Podemos ver tambm no grfico 02 uma tenso residual, que a tenso devida a retentividade dos campos polares e proporcional quantidade de magnetismo residual que permaneceu no ferro da mquina quando o gerador foi desligado, existindo assim uma tenso nos terminais do gerador mesmo quando a corrente de campo zero, tal tenso tambm se deve a histerese e para o grfico em azul foi de 0,82 Volts e para o grfico em vermelho de 2 Volts. Na Prtica 02 foi montado o seguinte circuito:

Figura 09 Gerador CC auto-excitado sem carga

Desta forma temos a Mquina CC sendo utilizada como um gerador autoexcitado, onde o circuito de campo ligado em paralelo com o de armadura.

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Depois de montado tal diagrama o circuito de campo foi aberto e o MIT foi acionado, em seguida um voltmetro foi colocado nos terminais do circuito de armadura e uma tenso de 2 Volts foi encontrada para a corrente de campo nula, sendo esta uma tenso residual, que sede ao magnetismo residual que j foi comentado anteriormente. Em seguida o reostato foi colocado para seu valor mximo, sendo de 390 ohms, sabemos que a resistncia de campo tambm de 390 ohms e desta forma teremos uma resistncia equivalente de 780 ohms, a multiplicao entre essa resistncia e a corrente de campo dar o valor da tenso nos terminais do gerador, devido este est funcionado vazio. Desta forma quando o MIT foi acionado uma tenso de 3,1 volts foi observada no voltmetro e uma corrente de 4 mA no Ampermetro, podemos concluir com isso que houve escorvamento, j que 4mA*780ohms=3,12V. Depois disso o reostato foi reduzido gradativamente at zero e com isso foram anotados os valores de corrente de campo e tenso de armadura para diferentes valores de resistncia de campo, que podem ser observados na tabela abaixo: Ohms mA Vots 390 4 3,1 350 4 3,2 300 5 3,6 250 6 4 200 7 4,2 150 9 5,1 100 13 6,6 50 23 11 0 300 115

Calculando com o valor da tabela acima o valor da resistncia de campo:Rcampo = 115 = 383.333ohms 0 .3

A resistncia de campo acima est determinando a corrente fornecida pelo gerador, como pode ser observado na figura abaixo:

Figura 10 Resistncias de Campo

A famlia de retas representando a resistncia de campo na figura 10, determinante para que ocorra o escorvamento da mquina com excitao shunt, pois pela lei de Ohm, uma alta resistncia de campo (ou seja uma reta com uma grande inclinao) produzir uma pequena corrente de campo, mesmo para um valor bastante elevado de tenso de campo e uma baixa resistncia de campo (com inclinao menor) produzir uma corrente de campo bastante elevada, mesmo para um baixo valor de tenso de campo:

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Figura 11 Escorvamento no gerador shunt

Pela figura 11, vemos uma representao entre a resistncia de campo e a curva de magnetizao na mquina num eixo comum, podemos concluir assim que a resistncia de campo tem um papel determinante no escorvamento da mquina com excitao shunt e na tenso que est sendo gerada. Na Prtica 03 solicitado logo no incio a montagem do seguinte circuito:

Figura 12 Gerador CC auto-excitado com carga

Ainda sem carga o reostato foi ajustado para zero, a fim de que fosse obtido uma mxima tenso terminal, que neste caso foi de 115 Volts. Para simular a carga um reostato foi colocado na sada do Gerador CC e o aumento de carga se dava pela reduo do valor da resistncia do mesmo. A tabela abaixo mostra os valores da resistncia da carga, da corrente de campo e da tenso terminal: Carga Icampo Vterm. 388 ohms 250 mA 110 V 350 ohms 220 mA 103 V 300 ohms 220 mA 100 V 250 ohms 210 mA 100 V 200 ohms 210 mA 95 V 150 ohm 205mA 90 V

Atravs da tabela acima podemos concluir que com um aumento da carga, h uma queda da tenso terminal que se deve pelo aumento da corrente de armadura Ia, devido a relao Ia*Ra, outra queda devido a reao de armadura e como um ltimo fator temos a influncia das duas primeiras, onde essa diminuio da tenso no terminal, far com que a corrente de campo tambm diminua e conseqentemente o fluxo de13

campo e este influenciar diretamente na tenso gerada, podendo assim chegar num ponto de ruptura, havendo um queda brusca na tenso terminal. Abaixo segue uma figura que mostra essas quedas de tenses:

Figura 13 - Caractersticas de Carga de um gerador Shunt

Na Prtica 04 foi montado o seguinte circuito:

Figura 14 Motor CC Auto-Excitado

Vale ressaltar que a parte que envolve a carga e o Gerador CC durante a prtica foi substituda por um motor de induo trifsico, onde este tinha o sentido de rotao num sentido oposto ao Motor CC, simulando desta forma uma carga. Logo no incio foram medidos os valores da resistncia de armadura e de campo do Motor CC, sendo Ra= 2,6 ohms e Rf= 389 ohms. Em seguida o reostato do campo paralelo foi colocado para seu valor mnimo, resultando num fluxo de campo mximo e o reostato de partida na posio mxima de 8,3 ohms. Depois o motor foi acionado e a corrente de armadura no momento da partida chegou a 2,8 A. Como o reostato de partida tem a finalidade de reduzir a corrente no momento em que o motor acionado, desta forma logo em seguida ele foi reduzido a zero. A tabela abaixo mostra os valores da corrente de armadura e da velocidade do motor em RPM para o aumento gradativo da carga, sendo a carga um MIT a carga foi sendo aumentada de acordo com a freqncia do mesmo. 0 5,3 6,7 7,8 8,9 10,2 11,8 12,5 13,6 15 17,5 18,2 F (Hz) Ia(A) 0,6 0,81 0,92 1,02 1,15 1,28 1,45 1,5 1,65 1,78 1,95 2 N(RPM) 2465 2445 2430 2415 2400 2385 2365 2350 2335 2305 2285 2280

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Considerando que o MIT a 18,2 Hz estaria fazendo o Motor CC a funcionar a plena carga, podemos assim encontrar a regulao do motor, pois esta representa a variao de velocidade desde a plena carga at a situao de carga nula, como pode ser observado abaixo: Nvazio Npc 2465 2280 Regulao: R% = = = 8,11% Npc 2280 Pela figura abaixo podemos observar que o motor shunt apresenta sempre uma boa regulao, podendo ser classificado como motor de velocidade praticamente constante:

Figura 15 Caractersticas Carga-velocidade

Pela tabela acima podemos afirmar que a medida que a carga foi sendo aumentada mais corrente foi sendo solicitada da fonte e a velocidade do motor foi sendo reduzida. Com o aumento do reostato de campo a corrente de campo reduzida e pela equao abaixo podemos observar que a medida que a corrente de campo diminui a velocidade do motor aumenta. Vt Ra Ia K 'If Com o aumento da resistncia de armadura tambm possvel variar a velocidade do motor como pode ser visto pela equao acima, j que se aumentarmos Ra uma maior queda de tenso ser provocada e a tenso sobre o motor ser menor, reduzindo consequentemente a velocidade. Esta forma de controle de velocidade no um modo eficiente devido as perdas que so provocadas por aquecimento no circuito de armadura do motor. W=

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5. Concluso Com as prticas de Mquina Corrente Contnua finalizadas tornou-se possvel observar as caractersticas dos diferentes tipos de ligaes entre o circuito de armadura e o circuito de campo, desta forma sendo visto a aplicao de cada um desses modelos eltricos estudados em sala de aula. No entanto como se tratam de modelagens que foram criadas para facilitar a soluo de problemas envolvendo mquinas cc, deve ser entendido que tais modelos so aproximaes do real funcionamento dessas mquinas e consequentemente carregam erros que devem ser interpretados corretamente para que o aluno no venha a pensar que a modelo matemtico retrata fielmente o funcionamento da mquina em questo. 6. Referncias Bibliogrficas 1- KOSOW, Irving Lionel, 1919. Mquinas Eltricas e Transformadores.Vol. 01. 4 Edio. Editora Globo. Porto Alegre. Rio de Janeiro.

1- WIKIPEDIA. Mquina de Corrente Contnua [online]. Disponvel na Internet via URL: http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua. Acessado em: 03/11/2010.

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