Maquina Corrente Continua Com Excitação Independente 62sm

Instituto Politécnico de Setúbal Escola Superior de Tecnologia

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Ramo de Energias Renováveis e Sistemas de Potência

Conversão Eletromecânica de Energia 2011/2012

MCC com Excitação Independente Características Mecânicas Docente: Prof. Manuel Gaspar

Discentes: Nelson Brito nº 060250028 Tiago Martins nº 080250042 Filipe Valério nº 100250031

10 de Maio de 2012

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Índice INTRODUÇÃO

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MÁQUINAS CC UTILIZADAS

3

CARACTERÍSTICA INTERNA

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CARACTERÍSTICA EXTERNA

7

PROBLEMAS PROPOSTOS

8

DETERMINAÇÃO DE RESISTÊNCIAS DOS ENROLAMENTOS DA ARMADURA, EXCITAÇÃO SÉRIE E EXCITAÇÃO DERIVAÇÃO

10

CARACTERÍSTICA MECÂNICA

11

CONCLUSÃO

15

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Introdução Este trabalho é realizado com o intuído de observar a característica mecânica de um motor de corrente-continua com excitação independente, isto é, como varia a velocidade em função do binário eletromagnético através da regulação de uma resistência adicional. O estudo é feito, em primeira instância, por simulação computorizada e depois é feita a transposição para o ambiente laboratorial, segundo as condições indicadas no guia disponibilizado pelo docente. Por fim, com base nos resultados obtidos, são retiradas algumas conclusões, nomeadamente acerca da característica supra referida e da utilidade e exatidão da ferramenta de simulação.

Máquinas CC utilizadas Potência MCC ensaiada MCC de apoio

Gerador Motor Gerador Motor

1,2kW 1kW 2,2kW 2kW

Excitação

Induzido

n

Sr. Nr.

220V

0,55A

220V

6A

1400rpm

5524

220V

0,8A

220V

12A

1500rpm 1400rpm

5502

Tabela 1 – Chapa de Característica das Máquinas Ensaiadas

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Característica Interna A característica interna ou de magnetização é construída a partir do ensaio de vazio. Este ensaio é feito com excitação independente, a uma velocidade do rotor constante e com corrente de armadura nula. No ensaio de vazio devemos obter a relação entre a tensão aos terminais da armadura e a corrente de excitação que se aumenta gradualmente desde zero até ao seu valor nominal e em seguida se reduz novamente até zero. Visto não existir corrente na armadura, não há também queda de tensão interna na mesma, pelo que se verifica a igualdade entre a força eletromotriz induzida e a tensão de vazio, tal como está indicado na expressão seguinte:

{

( )

Na figura 1, está representado o esquema do ensaio em vazio. O circuito de excitação tem em série um reóstato de campo ( ), que permite variar a corrente de excitação ( ) medida pelo amperímetro (A). O circuito indutor, tem ligado aos terminais do induzido do gerador um voltímetro (V), para medir a tensão.

Esquema 1 – Ensaio em Vazio

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IPS - Escola Superior de Tecnologia Posto isto, no laboratório procedeu-se à ligação do seguinte esquema:

Esquema 2 – Ligações para ensaio em Vazio (com interruptor aberto) e em carga (com interruptor fechado)

No decorrer do ensaio de vazio foram retirados os seguintes valores:

If (mA) crescente

Uo (V)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,55

16 55 107 149 169 183 189

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,55

18 69 131 175 199 215 221

If (mA) decrescente 1200 rpm

Uo (V)

0,55 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

189 185 175 159 127 74 16

0,55 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

221 217 206 187 137 87 18

1400 rpm

Tabela 2 –Resultados Ensaio de Vazio

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Os valores obtidos no ensaio foram então tratados usando o software Matlab, no qual foram criados os seguintes gráficos:

Gráfico 1 – Caracteristica Interna 1400 RPM

Gráfico 2 – Caracteristica Interna 1200 RPM

Ao observar os gráficos, verifica-se que apresenta um troço de subida diferente do troço de descida. Isto é devido ao fenómeno de histerese a que o ferro da máquina foi sujeito. De referir ainda que, o gráfico não tem inicio na origem, devido à existência de magnetismo remanescente no ferro. Substituindo as linhas do fenómeno de histerese pelas médias das mesmas obteve-se o seguinte gráfico:

Como os ensaios foram feitos para a mesma corrente de excitação ( ), o fluxo tem o mesmo valor para os dois ensaios, logo, pode-se considerar a seguinte relação entre as forças electromotrizes (E) e as velocidades (n):

Gráfico 3 – Linhas Médias da Característica Interna

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Característica Externa A característica externa do gerador é a relação entre a tensão aos terminais da máquina (U) e a corrente (Ia) entregue à carga (Rc), para uma determinada velocidade (n) e corrente de excitação ( ) constantes. Esta pode ser obtida através do ensaio representado pela figura:

Esquema 3 – Ensaio em Carga

Aplicando a lei das malhas, obtém-se a expressão da característica externa:

No ensaio em carga, efetuado no laboratório, foram retirados os seguintes valores:

Ia (A) U (V)

1,7 208

2 204

If = 0,5 A / 1400 rpm 3 4 199 194

5 189

6 182

Com base nos valores presentes na tabela acima, criou-se o seguinte gráfico:

Gráfico 4 – Caracteristica Externa e Ponto de Funcionamento

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Como se pode verificar observando o gráfico 4, a característica externa (linha azul) é uma curva descendente. Isto acontece porque, à medida que o gerador vai entregando mais corrente à resistência de carga, a tensão aos terminais da carga e do gerador diminui. Isto deve-se ao efeito desmagnetizante da reação magnética do induzido (ξ), que provoca a diminuição do fluxo ( ), e à queda de tensão na resistência dos enrolamentos da armadura ( ) e nas escovas ( ).

Problemas Propostos Problema Lab_1 – Ponto de funcionamento Para determinar o ponto de funcionamento a uma potência de 450 W, tal como enuncia o “Problema Lab_1”, utilizámos, como ferramenta matemática, o MatLab. Aplicando a expressão da potência, , resolvendo em ordem à tensão na armadura (

),

e sendo a corrente um vector com os valores obtidos laboratorialmente, obtém-

se assim um vector com os valores correspondentes da tensão, que está representado no gráfico 4 (a vermelho). Essa representação intersectada com a linda da característica (a azul) é o ponto de funcionamento obtido, para o nosso ensaio laboratorial, a uma potência de 450 W.

Problema Lab_2 – Característica externa Para calcular a característica externa da máquina, a uma velocidade de 75% do ensaio realizado, tal como enuncia o “Problema Lab_2”, seguimos o seguinte raciocínio:

Como se manteve constante a corrente de excitação ( ), então o constante, logo:

8

também vai ser

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De seguida e com recurso ao MatLab, apresentámos as duas características externas, como se pode verificar no gráfico:

Gráfico 5 – Caracteristica Externa Diferentes Velocidades

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Determinação de resistências dos enrolamentos da armadura, excitação série e excitação derivação Para a determinação das resistências dos enrolamentos aplicou-se o método voltamperimétrico e obtiveram-se os seguintes valores: Enrolamento induzido Ra U (V) 25,6 23,7 21,9 20,3 18,4 16,5 Valor médio

I (A) 6 5,6 5,2 4,8 4,4 4

Cálculo R (Ω) 4,27 4,23 4,21 4,23 4,18 4,13 4,21

Enrolamento série Rs U (V) 10,5 9,8 9 8,4 7,7 7 Valor médio

I (A) 6 5,8 5,2 4,8 4,4 4

Cálculo R (Ω) 1,75 1,69 1,73 1,75 1,75 1,75 1,74

Enrolamento derivação Rf U (V) 190,6 187,5 179,7 172,8 169 163,6 Valor médio

I (A) 0,55 0,52 0,50 0,48 0,46 0,44

Cálculo R (Ω) 346,55 360,58 359,4 360 367,4 371,82 360,96

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Característica Mecânica A característica mecânica da máquina de corrente-continua descreve a possibilidade da máquina funcionar a várias velocidades para cada binário eletromagnético, isto é possível através do ajuste de uma resistência adicional colocada em série com a armadura, sendo que a velocidade diminui com o aumento dessa mesma resistência. É também possível proceder à regulação da velocidade, se por exemplo o binário de carga aumentar ou diminuir, alterando o valor da tensão de entrada ou do fluxo do indutor.

Previsão Usando o software Matlab é possível a realização de uma previsão para esta característica. Usando a equação anterior e usando os parâmetros da máquina obtidos através dos ensaios em vazio e em carga realizados previamente. 1. Calculo Kt Recorrendo ao ensaio da característica interna calculou-se por meio de interpolação o valor de Kt para uma corrente de excitação de 0,9 If_nom e a uma velocidade de 1400 RPM. 2. Previsão Matlab Como podemos verificar através da análise do gráfico, com o aumento Gráfico 6 – Velocidade em Função do Binário do binário existe uma queda da velocidade. Esta queda torna-se mais evidente com a colocação de uma resistência adicional em série com o circuito da armadura. Quanto maior for o valor dessa resistência mais acentuada será a queda da velocidade.

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IPS - Escola Superior de Tecnologia Ensaio Para a obtenção desta característica, realizaram-se três ensaios com diferentes valores de Rad (Rad=0Ω, Rad=1,5Ω e Rad=3Ω) e utilizou-se o esquema de ligação 4.

Esquema 4 – Ligações do ensaio de característica mecânica

Variou-se o binário de maneira a obter os seguintes valores de velocidade:

N (rpm) 1350 1325 1310 1295 1270

Rad = 0Ω Te (Nm) 3 4 5 6 7

N (rpm) 1330 1310 1290 1275 1250

Rad = 1,5Ω Te (Nm) 3 4 5 6 7

N (rpm) 1300 1270 1245 1210 1200

Rad=3Ω Te (Nm) 3 4 5 6 7

Ao inserir os valores obtidos experimentalmente no Matlab obtivemos o seguinte gráfico: Neste gráfico, as linhas representam as curvas simuladas anteriormente, sendo que os “asteriscos” representam os valores obtidos experimentalmente.

Gráfico 7 – Ensaios Laboratoriais da Velocidade em Função do Binário

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É possível concluir através da observação que os valores experimentais não coincidem com os valores obtidos teoricamente através do Matlab. Existem várias razões plausíveis para esta discrepância entre valores, desde logo o aquecimento dos reóstatos e das resistências utilizadas e falha em

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manter todos os parâmetros (Excitação do motor, Excitação do gerador e Tensão aplicada à armadura do motor). Apesar das falhas acima referidas os valores obtidos experimentalmente comportam-se como o esperado, ou seja, mesmo não estando de acordo com a previsão todos eles se mantem coerentes entre si.

Depois de concluído o trabalho foi proposto a realização de resolução de dois problemas, sendo que numa primeira parte era importante a previsão utilizando o Matlab e de seguida a confirmação dos dados obtidos através de ensaios a realizar em aula.

Problema 1 – Estimativa da velocidade do MCC para um binário de carga 3 Nm e uma resistência adicional de Rad=2,3Ω. Para a estimativa em Matlab realizaram-se os seguintes cálculos:   

No gráfico 8 encontra-se a resolução deste problema. O ‘asterisco’ representa a estimativa da velocidade para um binário de 3 Nm com uma resistência adicional de 2,3Ω. Depois de realizada a estimativa preparou-se um ensaio para verificar a previsão. Te 3 Nm

Velocidade 1325 rpm

A estimativa efectuada em Matlab não se encontra de acordo com o resultado obtido no ensaio. Mais uma vez a Gráfico 8 – Estimativa da Velocidade para um Binário de 3Nm com Rad 2,3 influência de factores como a excitação do motor, a excitação do gerador e a tensão aplicada à armadura do motor, podem ter influenciado esta discrepância de resultados. 13

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Problema 2 – Previsão da corrente da armadura e velocidade do motor CC que atua para um binário de potência constante Pmec=0,7 CV sendo Rad=1,0Ω.

Para a realização desta estimativa recorreu-se mais uma vez ao software Matlab. Assim da análise do gráfico X, da intersecção da curva de cor azul (Pmec=0,7CV) com a curva de cor preta (Velocidade para Rad=1Ω) iremos obter o binário electromecânico que permitirá calcular a corrente na armadura:

Gráfico 9 – Estimativa Velocidade para 0,7 CV e Rad de 1.0 ohm

Convertendo os 0,7CV em watts, e sabendo que 1W corresponde a 1,36x10-3CV, temos que:

Mais uma vez realizou-se um ensaio para validação desta previsão e obtivemos os seguintes valores: Te (Nm) 3,7

Ia(A) 2,9

Velocidade (rpm) 1340

Como podemos verificar os valores do binário e da velocidade estão bastante próximos do previsto, já a corrente na armadura obtida no ensaio difere da previsão.

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Conclusão Terminado o trabalho, podemos concluir que os prossupostos teóricos estudados e aplicados na elaboração das simulações foram, com mais ou menos exatidão, comprovados pelos ensaios laboratoriais efetuados. Tal permite-nos afirmar que as ferramentas informáticas são um bom meio de prever estados de funcionamento de uma máquina antes de armos para o trabalho prático. Os erros encontrados entre uma situação teórica e prática são as variáveis que desprezamos e/ou que não conseguimos controlar.

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