UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: MÁQUINAS ELÉTRICAS PRÁTICAS DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA ALUNO: DANIEL COELHO VASCONCELOS PROF.: ÉBER DE CASTRO DINIZ SEMESTRE: 2010.2 SUMÁRIO 1. Introdução........................................................................................................................................................... 4 2. Objetivo da prática ............................................................................................................................................. 4 3. Introdução Teórica.............................................................................................................................................. 5 4. Procedimento Experimental ............................................................................................................................... 9 5. Conclusão ......................................................................................................................................................... 16 6. Referências Bibliográficas................................................................................................................................ 16 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Máquina de Corrente Contínua Elementar............................................................................5 Figura 2 - Circuito Equivalente de um Gerador CC em excitação independente................................7 Figura 3 - Motor CC com excitação em série......................................................................................7 Figura 4 - Motor CC com excitação em paralelo.................................................................................8 Figura 5 - Motor CC com excitação composta (curta).........................................................................8 Figura 6 - Circuito Gerador CC com excitação independente sem carga............................................9 Figura 7 - Curva característica de um gerador cc com excitação independente................................10 Figura 8 - Família de Curvas de Histerese.........................................................................................11 Figura 9 - Gerador CC auto-excitado sem carga................................................................................11 Figura 10 - Resistências de Campo....................................................................................................12 Figura 11 - Escorvamento no gerador shunt.......................................................................................13 Figura 12 - Gerador CC auto-excitado com carga..............................................................................13 Figura 13 - Características de Carga de um gerador Shunt................................................................14 Figura 14 - Motor CC Auto-Excitado................................................................................................14 Figura 15 - Características Carga-velocidade.....................................................................................15 1. Introdução Este relatório abordará as aulas práticas sobre máquinas de corrente contínua da disciplina de Máquinas Elétricas, dentre as práticas será estudado as características de um gerador cc com excitação independente em vazio, gerador cc auto-excitado em vazio, gerador cc auto-excitado operando em carga e partida, regulação e controle de velocidade de um motor cc com excitação em separado. Sendo assim no decorrer deste relatório com dados coletados em laboratório serão mostrados através de gráficos e tabelas os resultados dos procedimentos realizados e cada um seguirá com seus devidos comentários, a fim de explicar o que está acontecendo com cada circuito montado, sempre aproximando dos modelos estudados em sala de aula para cada tipo de ligação do circuito de armadura com o circuito de campo. 2. Objetivo das Práticas • • • • • • • • • • • • • • • Levantar Característica Interna da Máquina CC; Observar os Efeitos da Saturação; Observar os efeitos do Magnetismo Residual; Verificar os efeitos que a polaridade e a resistência do campo paralelo têm no escorvamento da máquina. Observar os efeitos do magnetismo residual. Observar os efeitos da saturação. Levantar a curva característica da máquina de corrente contínua auto-excitada. Traçar a curva característica tensão de armadura x corrente de armadura. Verificar o efeito da reação de armadura. Determinar a regulação de tensão de um GCC com excitação em paralelo. Partir um motor cc através de um reostato. Observar o comportamento da corrente de partida. Traçar a curva característica Velocidade x Corrente de Armadura. Determinar a regulação de velocidade. Observar os parâmetros para controle de velocidade do motor cc 4 3. Introdução Teórica Máquina de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor). A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada, porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que, são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrônicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicação estão substituindo os motores de corrente contínua na maior parte das aplicações. 3.1 Partes Constituintes de Máquina de Corrente Contínua Figura 01 – Máquina de Corrente Contínua Elementar Rotor (armadura) Parte girante, montada sobre o eixo da máquina, construído de um material ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia. Anel Comutador Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura, constituído 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 é montado junto ao eixo da máquina e gira junto com a mesma. O movimento de rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos. Estator (Campo ou excitação) Parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Também é constituído de material ferromagnético, envolto em um enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo 5 magnético fixo para interagir com o campo da armadura. Em algumas máquinas comercializadas no mercado é possível encontrar enrolamentos de compensação que tem como função compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura e enrolamentos de comutação que tem como função diminuir o faíscamento no anel comutador. Escovas Peças de carvão responsáveis por conduzir a energia para o circuito do rotor. 3.2 Principio de Funcionamento 3.2.1 Operando como gerador de corrente contínua Quando se trata de um gerador, a energia mecânica é suprida pela aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina, uma fonte de energia mecânica pode ser ,por exemplo, uma turbina hidráulica, uma turbina eólica, etc. A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor. Desta forma, a energia mecânica fornecida ao eixo, é armazenada no campo magnético da máquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina. 3.2.2 Operando como Motor de corrente contínua No caso de motores, o funcionamento é inverso: energia elétrica é fornecida aos condutores do enrolamento da armadura pela aplicação de uma tensão elétrica em seus terminais pelo anel comutador(coletor), fazendo com que se circule uma corrente elétrica nesse enrolamento que produz um campo magnético no enrolamento da armadura. Como o corpo do estator é constituído de materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo da máquina temos uma intensificação do campos magnéticos no mesmo e, portanto, a produção de pólos magnéticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extensão do estator. Pela atuação do anel comutador que tem como função alternar o sentido de circulação da corrente no enrolamento da armadura, quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura. A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro. Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, 6 fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido. Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina. 3.3 Classificação das máquinas de corrente contínua segundo a maneira como se alimenta a máquina 3.3.1 Excitação independente ou separada Nesta configuração o circuito de excitação da máquina é alimentada por uma fonte adicional independente ou separada da fonte de corrente contínua que alimenta a armadura. Em geral o enrolamento de campo que produz a excitação é constituído de condutores que não suportam grandes correntes, pois a excitação em geral utiliza correntes baixas para produzir o campo magnético em comparação com as correntes que circulam no enrolamento de armadura. Abaixo pode ser observado um circuito equivalente de um gerador cc com excitação independente: Figura 02 – Circuito Equivalente de um Gerador CC em excitação independente 3.3.2 Excitação série O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em série com o circuito de armadura, sendo assim necessário 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 excitação é a mesma corrente que circula no enrolamento da armadura, é necessário um enrolamento próprio para o circuito de excitação, capaz de suportar correntes relativamente altas da armadura. Abaixo pode ser visto o circuito equivalente de um motor cc em série: Figura 03 – Motor CC com excitação em série 7 3.3.3 Excitação shunt ou em derivação O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura. Nesta configuração, é necessário apenas uma fonte de corrente contínua para alimentar o circuito de armadura e de campo, pois ambos os circuito estão em paralelo. Como o enrolamento de campo está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura, é possível utilizar o mesmo tipo de condutor do caso de excitação independente. Abaixo pode ser visto o circuito equivalente de um motor cc com excitação em paralelo: Figura 04 – Motor CC com excitação em paralelo 3.3.4 Excitação Composta Com dois enrolamentos de excitação, um em série e outro em derivação, podendo existir o esquema de ligação longo ou curto e composto aditivo ou subtrativo. Neste esquema de ligação utiliza-se uma combinação da excitação série e shunt, de forma a aproveitar os benefícios de ambas as ligações. Em muitas aplicações o enrolamento série é utilizado para compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura. Abaixo pode ser observado o circuito equivalente de um motor cc com excitação composta (curta): Figura 05 – Motor CC com excitação composta (curta) 8 4. Procedimentos A prática 01 foi iniciada medindo-se os valores das resistências de Campo e de Armadura, tendo um terminal uma resistência de 393 ohms e o outro de 15 ohms, desta forma como a resistência do circuito de Campo deve ser maior que a do circuito de armadura temos que a o primeiro terminal é 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 excitação independente sem carga Como pode ser visto na figura acima a máquina de corrente contínua será utilizada como gerador com excitação independente, sendo a máquina primária um motor de indução trifásico. Logo em seguida foi levantada a curva característica da corrente de campo versus tensão de armadura do gerador cc, que pode ser observada pelo gráfico abaixo que foi plotado no matlab: 120 100 80 Tensão Terminal 60 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 Corrente de Campo 2.5 3 Gráfico 01 – Curva Característica Corrente de Campo x Tensão Terminal Onde: K é uma constante, φ é o fluxo por pólo, N é a velocidade em RPM e E é a tensão terminal Pelo gráfico podemos dizer quanto maior a corrente de campo maior a tensão terminal e tal relação vêm da fórmula abaixo: E = K ⋅φ ⋅ N Como não estamos variando a velocidade da máquina primária a tensão gerada pode ser reduzida a fórmula abaixo: E = K '⋅φ 9 Ficando assim dependente apenas do fluxo magnético que é determinado pelo circuito de campo, desta forma a medida que aumentamos a corrente de campo, aumentamos o fluxo magnético por pólo e conseqüentemente a tensão gerada, no entanto o gráfico 01 não mostra bem as regiões de um curva característica, pois os dados coletados abrangem apenas a região linear do mesmo, não podendo assim ser observada a saturação já que o Gerador tem como tensão nominal 220 V. Para um maior entendimento pode ser observado a figura abaixo que mostra a curva característica de uma máquina de corrente contínua Figura 07 – Curva característica de um gerador cc com excitação independente O gráfico abaixo representa agora o caminho de ida e volta, ou seja, com o aumento da corrente de campo até 3 A e em seguida com a redução de 3 A até 0. 120 100 80 Tensão Terminal 60 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 Corrente de Campo 2.5 3 Gráfico 2 – Curva Característica de ida e volta da Corrente de Campo x Tensão Terminal No gráfico acima temos em azul o que já mostrado no gráfico 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 redução da corrente de campo, realizando agora uma comparação entre o gráfico 02 e a figura 07 vemos que os valores obtidos em laboratório abrangem como já foi dito apenas a região linear, não 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 é aumentada a tensão gerada quase não é alterada e isto se deve a saturação magnética (região não-linear), ainda na figura 07 vemos que do ponto ‘d’ ao ponto ‘e’ momento este em que a corrente de campo começa 10 a ser diminuída há um caminho diferente sendo percorrido essa diferença se deve ao efeito da histerese, que funciona como um “efeito memória” de fluxo no material ferromagnético, sendo assim uma propriedade do material ferromagnético. A histerese assim é uma tendência de um material ou sistema de conservar suas propriedade na ausência de um estímulo que as gerou. Abaixo pode ser observado uma família de curvas de histerese: Figura 08 – Família de Curvas de Histerese Onde B (eixo da ordenada) é a densidade de fluxo magnético e H (eixo da abscissa) é o campo magnético, fazendo uma analogia entre a figura 08 e a figura 07 temos que a corrente de campo que altera o campo magnético dos pólos no estator, representa o campo magnético (H) e a tensão gerada que é diretamente proporcional ao fluxo magnético representa a densidade de fluxo (B). Podemos ver também no gráfico 02 uma tensão residual, que é a tensão devida a retentividade dos campos polares e é proporcional à quantidade de magnetismo residual que permaneceu no ferro da máquina quando o gerador foi desligado, existindo assim uma tensão nos terminais do gerador mesmo quando a corrente de campo é zero, tal tensão também se deve a histerese e para o gráfico em azul foi de 0,82 Volts e para o gráfico em vermelho de 2 Volts. Na Prática 02 foi montado o seguinte circuito: Figura 09 – Gerador CC auto-excitado sem carga Desta forma temos a Máquina CC sendo utilizada como um gerador autoexcitado, onde o circuito de campo é ligado em paralelo com o de armadura. 11 Depois de montado tal diagrama o circuito de campo foi aberto e o MIT foi acionado, em seguida um voltímetro foi colocado nos terminais do circuito de armadura e uma tensão de 2 Volts foi encontrada para a corrente de campo nula, sendo esta uma tensão residual, que sede ao magnetismo residual que já foi comentado anteriormente. Em seguida o reostato foi colocado para seu valor máximo, sendo de 390 ohms, sabemos que a resistência de campo é também de 390 ohms e desta forma teremos uma resistência equivalente de 780 ohms, a multiplicação entre essa resistência e a corrente de campo dará o valor da tensão nos terminais do gerador, devido este está funcionado à vazio. Desta forma quando o MIT foi acionado uma tensão de 3,1 volts foi observada no voltímetro e uma corrente de 4 mA no Amperímetro, podemos concluir com isso que houve escorvamento, já que 4mA*780ohms=3,12V. Depois disso o reostato foi reduzido gradativamente até zero e com isso foram anotados os valores de corrente de campo e tensão de armadura para diferentes valores de resistência 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 resistência de campo: Rcampo = 115 = 383.333ohms 0 .3 A resistência de campo acima está determinando a corrente fornecida pelo gerador, como pode ser observado na figura abaixo: Figura 10 –Resistências de Campo A família de retas representando a resistência de campo na figura 10, é determinante para que ocorra o escorvamento da máquina com excitação shunt, pois pela lei de Ohm, uma alta resistência de campo (ou seja uma reta com uma grande inclinação) produzirá uma pequena corrente de campo, mesmo para um valor bastante elevado de tensão de campo e uma baixa resistência de campo (com inclinação menor) produzirá uma corrente de campo bastante elevada, mesmo para um baixo valor de tensão de campo: 12 Figura 11 – Escorvamento no gerador shunt Pela figura 11, vemos uma representação entre a resistência de campo e a curva de magnetização na máquina num eixo comum, podemos concluir assim que a resistência de campo tem um papel determinante no escorvamento da máquina com excitação shunt e na tensão que está sendo gerada. Na Prática 03 é solicitado logo no início 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 máxima tensão terminal, que neste caso foi de 115 Volts. Para simular a carga um reostato foi colocado na saída do Gerador CC e o aumento de carga se dava pela redução do valor da resistência do mesmo. A tabela abaixo mostra os valores da resistência da carga, da corrente de campo e da tensão 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 Através da tabela acima podemos concluir que com um aumento da carga, há uma queda da tensão terminal que se deve pelo aumento da corrente de armadura Ia, devido a relação Ia*Ra, outra queda é devido a reação de armadura e como um último fator temos a influência das duas primeiras, onde essa diminuição da tensão no terminal, fará com que a corrente de campo também diminua e conseqüentemente o fluxo de 13 campo e este influenciará diretamente na tensão gerada, podendo assim chegar num ponto de ruptura, havendo um queda brusca na tensão terminal. Abaixo segue uma figura que mostra essas quedas de tensões: Figura 13 - Características de Carga de um gerador Shunt Na Prática 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 prática foi substituída por um motor de indução trifásico, onde este tinha o sentido de rotação num sentido oposto ao Motor CC, simulando desta forma uma carga. Logo no início foram medidos os valores da resistência 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 mínimo, resultando num fluxo de campo máximo e o reostato de partida na posição máxima 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 é 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 freqüência 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 14 Considerando que o MIT a 18,2 Hz estaria fazendo o Motor CC a funcionar a plena carga, podemos assim encontrar a regulação do motor, pois esta representa a variação de velocidade desde a plena carga até a situação de carga nula, como pode ser observado abaixo: Nvazio − Npc 2465 − 2280 Regulação: R% = = = 8,11% Npc 2280 Pela figura abaixo podemos observar que o motor shunt apresenta sempre uma boa regulação, podendo ser classificado como motor de velocidade praticamente constante: Figura 15 – Características 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 é reduzida e pela equação 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 resistência de armadura também é possível variar a velocidade do motor como pode ser visto pela equação acima, já que se aumentarmos Ra uma maior queda de tensão será provocada e a tensão sobre o motor será menor, reduzindo consequentemente a velocidade. Esta forma de controle de velocidade não é um modo eficiente devido as perdas que são provocadas por aquecimento no circuito de armadura do motor. W= 15 5. Conclusão Com as práticas de Máquina Corrente Contínua finalizadas tornou-se possível observar as características dos diferentes tipos de ligações entre o circuito de armadura e o circuito de campo, desta forma sendo visto a aplicação de cada um desses modelos elétricos estudados em sala de aula. No entanto como se tratam de modelagens que foram criadas para facilitar a solução de problemas envolvendo máquinas cc, deve ser entendido que tais modelos são aproximações do real funcionamento dessas máquinas e consequentemente carregam erros que devem ser interpretados corretamente para que o aluno não venha a pensar que a modelo matemático retrata fielmente o funcionamento da máquina em questão. 6. Referências Bibliográficas 1- KOSOW, Irving Lionel, 1919. Máquinas Elétricas e Transformadores.Vol. 01. 4ª Edição. Editora Globo. Porto Alegre. Rio de Janeiro. 1- WIKIPEDIA. Máquina de Corrente Contínua [online]. Disponível na Internet via URL: http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua. Acessado em: 03/11/2010. 16