Motor Electrico DC

Motor de corrente continua ME2

Maquinas Elétricas 2

TP2- Motor DC

Trabalho realizado por:

- Fábio Silva n.º 35204

- Filipe Parreira n.º 38159

- Ruben Justino n.º 38474


Índice

Introdução Teórica.......................................................................................................................3

1.1. Excitação Derivação......................................................................................................4

1.2. Excitação Composta.....................................................................................................4

1.3. Motor Série..................................................................................................................6

1.4 Ward Leonard Clássico.................................................................................................6

1.5 Ward Leonard Eletrónico..............................................................................................7

1.6 Ensaio de Perdas e desaceleração................................................................................7

2. Objetivos..............................................................................................................................7

3. Material Utilizado.................................................................................................................8

4. Procedimento Experimental.................................................................................................8

5. Resultados Obtidos..............................................................................................................8

4.1. Motor DC de Excitação Derivação.....................................................................................8

4.2. Motor DC de Excitação Composta.....................................................................................9

5.3. Motor Serie................................................................................................................11

5.4. Ward Leonard Clássico...............................................................................................11

5.5. Ward Leonard Eletrónico............................................................................................11

5.6. Ensaio de perdas e Desaceleração..............................................................................12

6. Análise de Resultados.........................................................................................................13

Motor DC em excitação Derivação:........................................................................................13

Motor DC em excitação Composta Aditiva:............................................................................15

Motor DC em excitação Composta Subtrativa:......................................................................17

Comparação dos resultados obtidos nos diferentes tipos de excitação.........................19

Motor DC Serie.......................................................................................................................21

Ward Leonard Clássico...........................................................................................................22

Ward Leonard Eletrónico.......................................................................................................23

Comparação dos dois tipos de Ward Leonard...............................................................24

Ensaio de Perdas....................................................................................................................24

Ensaio de Desaceleração........................................................................................................25

7. Conclusões.........................................................................................................................27


Introdução TeóricaA máquina DC (Corrente Continua) é composta por elementos fixos e móveis, em que o estator (circuito indutor) é a parte fixa e o rotor (circuito induzido) a parte móvel, conta ainda com pares de polos magnéticos e com o circuito magnético. O Rotor é composto por um material ferromagnético envolvido por um enrolamento chamado enrolamento de armadura e o anel comutador. Este enrolamento suporta uma alta corrente e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia.O Estator é composto por material ferromagnético, envolvido por um enrolamento de baixa potência chamado enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo da armadura.A máquina é ainda composta por um par de escovas de grafite, fixas, as quais têm a função de fazer a transferência da corrente elétrica das espiras do induzido para o circuito de carga, no caso do gerador.

Fig.1 – Constituição da Maquina de Corrente Continua

A máquina DC, utilizada como Motor, tem um funcionamento inverso ao funcionamento como Gerador, isto é, é fornecida energia elétrica ao enrolamento da armadura, através dos seus terminais. Isto produz um campo magnético. Sendo o corpo do estator constituído por materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo, os campos magnéticos intensificam-se. Logo, todo o estator fica dividido entre 2 polos magnéticos (Norte e Sul).

O sentido de circulação da corrente no enrolamento da armadura, é alternada pelo anel comutador, logo, quando aplicamos uma tensão com a máquina parada, esta é transferida ao enrolamento da armadura fazendo circular uma corrente pelo mesmo. Isto produz um campo magnético juntamente com outros pares de polos na armadura.

A orientação deste campo magnético é fixa, ao mesmo tempo temos uma tensão aplicada ao enrolamento de campo, assim, por interação dos campos magnéticos da armadura no rotor e de campo no estator, estes tentam alinhar-se, ou seja, o polo sul de um tenta aproximar-se do polo norte do outro.

Como o eixo da máquina gira, quando os campos estão desalinhados vai surgir um binário de forças e um torque associado ao eixo, fazendo este girar. Juntamente com o eixo gira o anel comutador que altera o sentido em que a tensão é aplicada, logo a corrente vai circular no sentido contrário. Isto altera o sentido do campo magnético produzido. Com esta alteração haverá novamente a produção de binário, e isto mantem a máquina em rotação.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

https://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

https://pt.wikipedia.org/wiki/Enrolamento_de_campo

https://pt.wikipedia.org/wiki/Pot%C3%AAncia

https://pt.wikipedia.org/wiki/Ferromagn%C3%A9tico

https://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica

https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Enrolamento_de_armadura&action=edit&redlink=1

https://pt.wikipedia.org/wiki/Ferromagn%C3%A9tico


1.1. Excitação Derivação

Fig.2 – Montagem de Motor DC em Excitação Derivação

Aqui, ambos os enrolamentos estão em paralelo ou derivação, é necessária apenas uma fonte DC para alimentar os circuitos da armadura e campo.

1.2. Excitação Composta

Fig.3 – Montagem de Motor DC em Excitação Composta Aditiva


Fig.4 – Montagem de Motor DC em Excitação Composta Subtrativa

Nesta montagem existem dois enrolamentos de excitação, um em serie e outro em derivação. Podendo assim aproveitar os benefícios de ambas as duas situações.


1.3. Motor Série

Fig.5 – Montagem de Motor DC Serie

1.4 Ward Leonard Clássico

Nota: Nesta montagem temos o Motor DC em excitação separada e o Gerador DC com excitação separada, mas com um inversor no enrolamento J-K

Fig.6 – Montagem Ward Leonard Clássico


1.5 Ward Leonard Eletrónico

Fig.7 – Montagem Ward Leonard Eletrónico

1.6 Ensaio de Perdas e desaceleração

Fig.8– Ensaio de Perdas e desaceleração

2. Objetivos Análise do funcionamento da máquina de corrente contínua como motor em regime

permanente. Verificar e testar a influência do enrolamento série no funcionamento do motor;

Estudo e ensaio do motor série. Análise das condições de embalamento do motor de corrente contínua;

Regulação de velocidade do motor de corrente contínua de excitação separada. Ensaio e comparação dos diferentes métodos (aplicação de um variador de velocidade industrial e comparação com o sistema Ward Leonard).

Ensaio em vazio do motor de corrente contínua para obtenção do binário relativo às perdas mecânicas. Análise do transitório mecânico do motor de corrente contínua: ensaio de desaceleração e obtenção dos parâmetros mecânicos.


3. Material Utilizado 1 – Maquina Assíncrona Trifásica 1 – Maquina DC Caixas de Carga Resistiva (6 x 2A) 1 – Reóstato de Excitação 1 – Reóstato de Arranque 1 – Voltímetro 2 – Amperímetros Condutores de ligação

4. Procedimento Experimental1 - Efetuar as ligações de acordo com o respetivo esquema de ensaio apresentado anteriormente;

2 – Colocar o reóstato de arranque no seu valor máximo e alimente o motor de corrente contínua, após arrancar baixar o reóstato de arranque para o seu valor mínimo;

3 - Após a máquina estar em funcionamento regule a sua velocidade para 1500 rpm usando o reóstato de excitação;(Caso genérico)

4 - Fornecer binário resistivo através da máquina assíncrona trifásica utilizando o variador de velocidade;

5 - Efetuar as medições de tensão, corrente, velocidade e binário.

5. Resultados Obtidos4.1. Motor DC de Excitação Derivação

U(V) I(A) T(n/m) N(rpm) Iexc(A)210 1,5 0 1532 0,35210 2,5 1,4 1520210 3,5 2,9 1509210 4,5 4,4 1500210 5,5 6,1 1493210 7 8,3 1487210 8,5 10,4 1503210 9,5 11,9 1506210 11 13,9 1514210 12 15,2 1522210 13 16,3 1536210 14 17,5 1542210 15 18,7 1555

Tabela.1 – Tabela do ensaio do Motor DC de excitação derivação

Pu(W) Pabs(W) Rend.(%)


0,00 315,00 0,00222,84 525,00 42,45458,26 735,00 62,35691,15 945,00 73,14953,71 1155,00 82,57

1292,46 1470,00 87,921636,90 1785,00 91,701876,72 1995,00 94,072203,79 2310,00 95,402422,63 2520,00 96,142621,85 2730,00 96,042825,86 2940,00 96,123045,09 3150,00 96,67

Tabela.2 – Tabela do Rendimento do ensaio do Motor DC de excitação derivação

4.2. Motor DC de Excitação CompostaU(V) I(A) T(n/m) N(rpm) Iexc(A)215 1,5 0 1558 0,36215 2,5 1,5 1542215 3,5 3,2 1525215 4,5 4,9 1510215 6 7 1498215 7 8,7 1483215 8 10,3 1470215 9 11,8 1465215 10,5 13,9 1456215 11,5 15,7 1447215 12,5 17 1439215 14 19,1 1430215 15 20,2 1427

Tabela.3 – Tabela do ensaio do Motor DC de excitação composta Aditiva

Pu(W) Pabs(W) Rend.(%)0,00 322,50 0,00


242,22 537,50 45,06511,03 752,50 67,91774,82 967,50 80,08

1098,09 1290,00 85,121351,10 1505,00 89,771585,56 1720,00 92,181810,29 1935,00 93,562119,36 2257,50 93,882379,01 2472,50 96,222561,76 2687,50 95,322860,21 3010,00 95,023018,59 3225,00 93,60

Tabela.4 – Tabela do Rendimento do ensaio do Motor DC de excitação composta Aditiva

U(V) I(A) T(n/m) N(rpm) Iexc(A)215 1,5 0 1587 0,35215 2,5 1,3 1586215 3,5 2,8 1582215 4,5 4,5 1581215 6 6,5 1581215 7 7,8 1586215 8 9,2 1596215 9 10,4 1612215 10 11,4 1633215 11 12,5 1654

Tabela.5 – Tabela do ensaio do Motor DC de excitação composta Subtrativa

Pu(W) Pabs(W) Rend.(%)0,00 322,50 0,00

215,91 537,50 40,17463,87 752,50 61,64745,03 967,50 77,01

1076,15 1290,00 83,421295,47 1505,00 86,081537,62 1720,00 89,401755,61 1935,00 90,731949,48 2150,00 90,672165,08 2365,00 91,55

Tabela.5 – Tabela do Rendimento do ensaio do Motor DC de excitação composta Subtrativa

5.3. Motor SerieIM(A) VM(A) Iexc(A) IG(A) VG(V) n(rpm) T(N.m)


13,50 210,00 0,64 11,50 185,00 1302,00 20,7913,00 210,00 0,64 10,50 190,00 1341,00 19,4411,75 210,00 0,64 9,50 195,00 1385,00 17,0110,50 210,00 0,63 8,20 200,00 1440,00 14,629,50 210,00 0,62 7,00 210,00 1514,00 12,588,50 210,00 0,62 5,50 230,00 1610,00 10,597,00 210,00 0,62 4,00 250,00 1754,00 8,006,00 210,00 0,44 3,70 230,00 1890,00 6,375,25 210,00 0,25 3,50 210,00 2008,00 5,244,00 210,00 0,30 1,75 225,00 2411,00 3,33

Tabela.6 – Tabela do ensaio do Motor Serie

5.4. Ward Leonard ClássicoIexcM(A) IexcG(A) VM(V) N(rpm)

0,57 0,00 0,00 5,000,57 0,20 90,00 684,000,57 0,24 110,00 830,000,57 0,30 130,00 990,000,57 0,36 150,00 1110,000,57 0,44 170,00 1270,000,57 0,52 190,00 1390,000,57 0,65 210,00 1540,00

Tabela.7 – Tabela do ensaio do Ward-Leonard Clássico

5.5. Ward Leonard Eletrónico VM(V) Iexc(A) n(rpm)

10,00 0,56 80,0030,00 0,57 212,0060,00 0,57 426,0090,00 0,57 630,00

120,00 0,57 842,00150,00 0,57 1050,00180,00 0,57 1265,00210,00 0,58 1483,00245,00 0,58 1725,00275,00 0,58 1930,00

Tabela.8 – Tabela do ensaio do Ward-Leonard Eletrónico

5.6. Ensaio de perdas e Desaceleração

V(V) IM(A) rpmPerdas(W

)220 0,8 1570 174,59


200 0,8 1570 158,59180 0,8 1570 142,59158 0,9 1570 140,42140 1 1570 137,80120 1,1 1570 129,34100 1,3 1570 126,2875 1,6 1570 114,3760 2 1570 111,2040 3,5 1570 113,0530 6 1570 100,80

Tabela.9 – Ensaio de perdas de desaceleração

6. Análise de Resultados


Motor DC em excitação Derivação:

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 7 8.5 9.5 11 12 13 14 151480

1490

1500

1510

1520

1530

1540

1550

1560

Caracteristica de Velocidade

I(A)

N(rm

p)

Fig.9 – Característica de velocidade do motor DC com excitação Derivação

1532 1520 1509 1500 1493 1487 1503 1506 1514 1522 1536 1542 15550

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Caracteristica Mecanica

N(rpm)

T(Nm

)

Fig.10 – Característica de Mecânica do motor DC com excitação Derivação


1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 7 8.5 9.5 11 12 13 14 150

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Caracteristica de Binario

I(A)

T(Nm

)

Fig.11 – Característica de binário do motor DC com excitação Derivação

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 7 8.5 9.5 11 12 13 14 150.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

Curva de Rendimento

I(A)

Rend

imen

to (%

)

Fig.12 – Curva de rendimento do motor DC com excitação Derivação

Observações: podemos observar que neste ensaio, quando maior a corrente, maior o rendimento e o binário, a velocidade atinge um mínimo e depois cresce linearmente. Observamos ainda que neste caso, quanto maior a velocidade da maquina, maior o seu binário.

Motor DC em excitação Composta Aditiva:


Fig.13 –

Característica de Velocidade do motor DC com excitação Composta Aditiva

1558 1542 1525 1510 1498 1483 1470 1465 1456 1447 1439 1430 14270

5

10

15

20


N(rpm)

T(Nm

)

Fig.14 – Característica Mecânica do motor DC com excitação Composta Aditiva

1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10.5 11.5 12.5 14 151420

1440

1460

1480

1500

1520

1540

1560


I(A)

N(rp

m)


Fig.15 – Característica de Binário do motor DC com excitação Composta Aditiva

1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10.5 11.5 12.5 14 150.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

Curva de Rendimento

I(A)

Rend

imen

to (%

)

Fig.16 – Curva de Rendimento do motor DC com excitação Composta Aditiva

Observações: podemos observar que neste ensaio, quando maior a corrente, maior o rendimento e o binário, por outro lado, a velocidade desce com o aumento da corrente e quanto menor a velocidade, maior o seu binário.

1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10.5 11.5 12.5 14 150

5

10

15

20


I(A)

T(Nm

)


Motor DC em excitação Composta Subtrativa:

Fig.17 – Característica de Velocidade do motor DC com excitação Composta Subtrativa

1587 1586 1582 1581 1581 1586 1596 1612 1633 16540

2

4

6

8

10

12


N(rpm)

T(Nm

)

Fig.18 – Característica Mecânica do motor DC com excitação Composta Subtrativa

1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10 111540

1560

1580

1600

1620

1640

1660


I(A)

N(rp

m)


1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10 110

2

4

6

8

10

12

14


I(A)

T(Nm

)

Fig.18 – Característica de Binário do motor DC com excitação Composta Subtrativa

1.5 2.5 3.5 4.5 6 7 8 9 10 110.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

Curva de Rendimento

I(A)

Rend

imen

to (%

)

Fig.18 – Curva de Rendimento do motor DC com excitação Composta Subtrativa

Observações: podemos observar que neste ensaio, quando maior a corrente, maior o rendimento, binário e velocidade. E o binário aumenta com o aumento da velocidade, esta diferença referente á situação anterior (aditiva), verifica-se porque como o enrolamento série esta montado de forma contraria, os fluxos subtraem-se.


Comparação dos resultados obtidos nos diferentes tipos de excitação

0 2 4 6 8 10 12 14 161400

1450

1500

1550

1600

1650


Exc. Derivação

Exc. Comp. Aditiva

Exc. Comp. Subtrativa

I(A)

n(rp

m)

Fig.19 – Comparação das características de velocidade

1420 1470 1520 1570 1620 16700

5

10

15

20


Exc. Derivação

Exc. Comp. Aditiva

Exc. Comp. Sub-trativa

n(rpm)

T(N

.m)

Fig.20 – Comparação das características mecânicas


0 2 4 6 8 10 12 14 160

5

10

15

20

25 Caracteristica de BinarioExc. Derivação

Exc. Comp. Aditiva

Exc. Comp. Sub-trativa

I(A)

T(N.

m)

Fig.21 – Comparação das características de Binário

1.50 3.50 5.50 7.50 9.50 11.50 13.5040.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00Analise de Rendimentos

Derivação

Comp. Aditiva

Comp. Sub-trativa

I(A)

Rend

imen

to (%

)

Fig.22 – Comparação dos Rendimentos

Observações: Como seria espectável por influência do fluxo do enrolamento de série, a situação de excitação composta aditiva tem melhor rendimento.


Motor DC Serie

Fig.23 – Característica de Velocidade do motor DC Serie

1302.00 1341.00 1385.00 1440.00 1514.00 1610.00 1754.00 1890.00 2008.00 2411.000.00

5.00

10.00

15.00

20.00


n(rpm)

T(N.

m)

Fig.24 – Característica de Mecânica do motor DC Serie

13.50 13.00 11.75 10.50 9.50 8.50 7.00 6.00 5.25 4.001000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

2000.00

2200.00

2400.00


IM(A)

T(N.

m)


13.50 13.00 11.75 10.50 9.50 8.50 7.00 6.00 5.25 4.002.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00


IM(A)

T(N.

m)

Fig.25 – Característica de Binário do motor DC Serie

Observações: Na montagem de motor série o motor encontra-se na possibilidade embalamento, isto é, perda de fluxo no induzido que permite um ganho ilimitado de velocidade, sem qualquer travão magnético. Este ganho ilimitado de velocidade torna a máquina descontrolada, que no pior dos casos a máquina destrói-se.

Ward Leonard Clássico

0.00 0.20 0.24 0.30 0.36 0.44 0.52 0.650.00

50.00

100.00

150.00

200.00

VM=f(IexcG)

IexcG(A)

VM(V

)

Fig.26 – Tensão do Motor em função da corrente de excitação do gerador


0.00 90.00 110.00 130.00 150.00 170.00 190.00 210.000.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

n=f(VM)

VM(V)

n(rp

m)

Fig.27 – Velocidade do Motor em função da sua tensão

Observações: A montagem Ward-leonard permite variar a velocidade da máquina DC, por alteração da sua tensão de alimentação. Neste caso, o induzido do gerador está diretamente ligado ao do motor, que irá ser controlado pela corrente de excitação do gerador. Com este sistema é possível explorar, a variação de velocidade do motor de excitação separada em função da tensão de alimentação.

Ward Leonard Eletrónico

10.00 30.00 60.00 90.00 120.00 150.00 180.00 210.00 245.00 275.000.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

2000.00

n=f(VM)

VM(V)

n(rp

m)

Fig.28 – Velocidade do Motor em função da sua tensão


Comparação dos dois tipos de Ward Leonard

-20.00 30.00 80.00 130.00 180.00 230.00 280.000.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

2000.00n=f(VM)

WL- Classico

WL-Moderno

VM(V)

n(rp

m)

Fig.29 – Velocidade do Motor em função da sua tensão nos dois tipos de montagem Ward-Leonard

Observações: Na comparação dos dois métodos de Ward Leonard, podemos ver que o método Eletrónico permite atingir uma maior velocidade, isto acontece porque no sistema clássico existem mais perdas a ser tidas em conta, logo, a tensão de alimentação vai ter uma componente de desperdício maior.

Ensaio de PerdasP (mec+ fe )=Ua∗Ia−Rs∗Ia2

Rs=2.2Ω

220 200 180 158 140 120 100 75 60 40 3090.00

100.00

110.00

120.00

130.00

140.00

150.00

160.00

170.00

180.00

Perdas Mecanicas+Ferro

V(V)

Perd

as (W

)

Fig.30 – Gráfico das Perdas Mecânicas+Ferro


Ensaio de Desaceleração

Fig.31 – Gráfico experimental do ensaio de desaceleração

Cálculos Auxiliares:

Tendo em conta que no instante em que a maquina está a girar á sua velocidade nominal, n=1570 rpm

ω0=2 π∗n60

(¿ )ω 0=164,4 rad /s


Fig.32 – Analise do Gráfico experimental do ensaio de desaceleração

P0=(0 , 164.4) [s , Rad/s] P1=(15 , 0) [s , Rad/s]

Podemos assim obter a equação geral da reta: (Assumindo para cálculos e analises que o gráfico do ensaio de desaceleração é uma reta)

y=−10.96 x+164.4

Fig.33 –Gráfico teórico

do ensaio de

desaceleração

Observações: Comparando o reta teórica com o resultado pratico, observamos que a em teoria, a desaceleração da maquina é uma reta perfeita, na pratica isto não acontece, por ação das perdas mecânicas e do ferro.

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140

160 f(x) = − 10.96 x + 164.4

Desaceleração

T(s)

W(ra

d/s)


7. Conclusões

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Motor Electrico DC