Corrente contínua abordado em motores - Apostilas - Engenharia Mecanica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Bossa_nova4 de Março de 2013

Corrente contínua abordado em motores - Apostilas - Engenharia Mecanica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia mecanica sobre o estudo do funcionamento de motores cc, bem como suas ligações, para que servem e também como se dá a relação torque/carga e Velocidade/carga.
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Introdução

O trabalho proposto engloba motores cc(corrente contínua), tais como motores série, composto(série e paralelo), e dando uma ênfase maior em motores Shunt (paralelo), visto seu funcionamento na prática, teremos um desenvolvimento teórico onde veremos os componentes do motor cc, um pouco da sua história, equacionamentos e outras características dos motores.

Objetivo

Entendermos melhor o funcionamento de motores cc, bem como suas ligações, para que servem e também como se dá a relação torque/carga e Velocidade/carga.

Desenvolvimento teórico

História

O ano de 1886 pode ser considerado, como o ano de nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner von Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua auto-induzido. Entretanto esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos foi o último estágio de estudos, pesquisas e invenções de muitos outros cientistas, durante quase três séculos.

Em 1600 o cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atração magnética. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, em 641 a.C., ele verificou que ao atritar uma peça de âmbar com pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pêlos, penas, cinzas, etc.

A primeira máquina eletrostática foi construída em 1663, pelo alemão Otto von Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes elétricas, verificou em 1820 que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente elétrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a íntima entre o magnetismo e a eletricidade, dando assim, o primeiro passo para em direção ao desenvolvimento do motor elétrico. O sapateiro inglês William Sturgeon – que paralelamente com sua profissão, estudava eletricidade nas horas de folga – baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor elétrico transformava-se em um ímã quando se aplicava uma corrente elétrica, observando também que a força do ímã cessava tão logo a corrente fosse interrompida. Estava inventado o eletroíman, que seria de fundamental importância na construção de máquinas elétricas girantes.

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Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de vaivém. Já no ano de 1833, o inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do eletroímã era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um ímã em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador.

Grande sucesso obteve o motor elétrico desenvolvido pelo arquiteto e professor de física Moritz Hermann von Jacobi – que, em 1838, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou em uma velocidade de 4,8 quilometros por hora.

Somente em 1886 Siemens contruiu um gerador sem a utilização de ímã permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia se auto-exitar. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 watts e uma rotação de 1200rpm. A máquina de Siemens não funcionava somente como um gerador de eletricidade, mas também podia operar como um motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contínua.

Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva elétrica, com uma potência de 2kW.

A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor elétrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta idéia, destacam-se o iugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileu Ferrarris e o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.

Em 1885, o engenheiro eletricista Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que os motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação a potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também esse motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento desse motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas.

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Foi o engenheiro eletricista Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, entrou em 1889 com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor de corrente alternada para o motor de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silencioso, menos manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW

Classificação dos motores de corrente contínua

São motores de custo elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação

Funcionamento e Constituição do motor de corrente contínua

O motor CC é constituído por circuito indutor, circuito induzido e circuito magnético.

Sendo constituído por elementos fixos e moveis, da-se o nome de estator a parte fixa do motor e o nome rotor a parte móvel do mesmo. No caso do motor CC o circuito indutor encontra – se no estator e o circuito induzido no rotor.

O circuito induzido é constituído por um enrolamento envolvendo um nuclio ferromagnetico laminado, isto é, dividido em chapas entre si.

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 magnético fixo para interagir com o campo da armadura.

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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 faiscamento no anel comutador.

Escovas: Peças de carvão responsáveis por conduzir a energia para o circuito do rotor.

O que faz girar o rotor do motor elétrico?

O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atracção ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, puxam ou empurram os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar.

Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam frequentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'ímans' de um motor devem ser 'eletroímans'.

Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes! Isso é fácil de perceber pois, não só não haverá o torque inicial para 'disparar' o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um empurrão externo inicial.

Motores CC

Fazer um motor eléctrico que possa ser accionado por pilhas ou baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente eléctrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs.

Uma corrente contínua, como o é a fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer eletroímans com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados.

Na maioria dos motores eléctricos CC, o rotor é um 'eletroíman' que gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroíman mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro, que torna-se fortemente magnetizado, quando a corrente fluí pela bobina. O

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rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator.

O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador.

Reversibilidade da máquina de corrente contínua

As maquinas de CC podem funcionar como Geradores mais conhecidos por dínamos ou motores a diferença e que os geradores recebem energia mecânica e convertem em energia eléctrica os motores recebem energia eléctrica e convertem em energia mecânica.

Motor-Shunt

Durante a partida e funcionamento normal, a corrente no circuito do campo-shunt é essencialmente constante para um valor estabelecido para o reostato de campo e o fluxo é também essencialmente constante. Aumentando-se a carga mecânica, a velocidade diminui, causando uma diminuição na fcem e um aumento na corrente da armadura.

Dessa forma, o torque pode ser expresso como uma relação linear de Ia:

T = k’.Ia

Por outro lado, a velocidade do motor shunt pode ser expressa em função da equação básica da velocidade:

Quando uma carga mecânica é aplicada ao eixo do motor, a fcem decresce e a velocidade cai proporcionalmente. Mas, como a fcem desde operação a vazio até a plena carga sofre uma variação de 20% (de 0,95Va a 0,75Va), a velocidade do motor é essencialmente constante.

Motor-Série

No motor-série, a corrente de armadura e a corrente do campo-série são as mesmas (ignorando os efeitos da resistência shunt de controle) e o fluxo produzido pelo campo-série é, em todo instante, proporcional à corrente de armadura. A equação para o torque do motor série é:

T = k’’.Ia2(Eq. 5-15)

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Desde que o núcleo polar seja não-saturado, a relação entre o torque do motor-série e a corrente de carga é exponencial. Para cargas extremamente leves, o torque do motor-série é menor que o torque do motor-shunt, porque desenvolve menor fluxo. Para uma mesma corrente numa armadura a plena carga, o seu torque é maior.

Motores Compostos

Quando se combinam enrolamentos de campo série e shunt o efeito do campo-série poderá ser composto cumulativo ou diferencial. No composto cumulativo, o fluxo do campo-série se soma ao fluxo do campo-shunt e, no caso do motor composto diferencial, há um antagonismo entre os campos. A corrente no circuito campo-shunt e o fluxo polar, durante a partida ou funcionamento normal, são constantes. A corrente no campo-série é uma função da corrente de carga solicitada pela armadura.

Para o motor cumulativo, a equação para o troque é:

T = k.(φf + φs).Ia(Eq. 5-16) onde o fluxo do campo série φs é função da corrente da armadura Ia .

Partindo com fluxo igual ao do campo-shunt sem carga e que aumente com a corrente da armadura, o motor composto cumulativo produz uma curva de torque que é sempre mais elevada que a do motor-shunt para a mesma corrente da armadura, conforme se pode observar na Fig. 5-8.

| Para o motor composto diferencial a equação de torque é |

T = k.(φf - φs).Ia(Eq. 5-17) onde φs é função de Ia e φf é constante. Partindo-se com fluxo igual ao fluxo do campo-shunt sem carga, qualquer valor da corrente da armadura produzirá um fluxo magnético do campo série que reduzirá o fluxo total no entreferro e, conseqüentemente, o torque. Assim, o motor composto diferencial produz uma curva que é sempre menor que a do motor shunt, conforme se pode também observar na Fig. 5-8.

Desenvolvimento prático

Com a ajuda do professor realizamos testes com um motor Shunt (paralelo), para verificarmos a relação de carga, corrente , tensão e velocidade, utilizando aparelhos como reostato, lâmpadas, multimetros e um tacometro, a seguir as medições e conclusoes.

Realizamos as medições usando um quadro lâmpadas como carga, sendo que a vazio, não tem nenhuma lâmpadas ligada, e 100% todas as lâmpadas ligada

.

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A corrente medida a vazio foi de 1,5 ampéres e a velocidade é de 2080 Rpm, a seguir inserimos 25% da carga e chegamos a 1,96 ampéres e a velocidade caiu para 2077 Rpm, quando ligamos 50% das lâmpadas a corrente subiu para 2,34 Ampéres e a velocidade diminuiu para 2074, com 75% a corrente aumentou para 2,52 Ampéres e a velocidade diminuiu para 2064 Rpm e com 100% da carga a corrente chegou a 2,98 Ampéres e a velocidade caiu para 2059 Rpm.

Com a análize chegamos a conclusão de que, quando maior for a carga, maior será a corrente e menor será a velocidade, o que fica claro observando o gráfico.

Agora veremos a relação da carga com a tensão.

Quando ligamos o motor a vazio memos 222,5 V e a velocidade de 259 Rpm, com 25% da carga obtivemos 227,5 V e 2064 Rpm, com 50% da carga obtivemos 227,6 V e 2074 Rpm, com 75% da carga 228,7 V e 2077 Rpm e com 100% da carga a tensão chegou a 229 V e a Velocidade foi máxima de 2080 Rpm.

Então concluímos que quanto maior a tensão maior será a velocidade, assim sendo diretamente proporcional

Agora veremos a relação da velocidade com a carga

.

Notamos que quando não temo nada de carga a velocidade é máxima, com 25% de carga a velocidade cai para 2077 Rpm, com 50% de carga cai para 2074, com 75% de carga cai para 2064 Rpm e com 100% cai para 2059 Rpm.

Concluindo quanto maior a carga menor vai ser a velocidade.

Relação tensão x carga:

Notamos que quando não tiver carga a tensão é máxima, e quando introduzimos 25% da carga a tensão baixa pra 228,7 v , quando aumentamos para 50% a carga a tensão diminui para 227,6 v , aumentando para 75% a carga a tensão cai para 227,5 e quando colocamos a carga máxima a tensão cai para 222,5 volts.

Observamos assim que quanto maior a carga, menos vai ser a tensão.

Por fim vamos ver a relação entre Corrente e carga

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Notamos a corrente baixa quando não temos carga ou seja 1,5 A para motor a vazio, 1,96 A para 25% da carga, 2,34 A para 50% da carga, 2,52 A para 75% da carga e para carga máxima temos 2,98% , assim concluímos que quanto maior for a carga maior será a corrente.

Conclusão

Notamos pela analise dos gráficos que quanto maior for a carga maior será a corrente, menor será a velocidade e a tensão, logo corrente e tensão são diretamente proporcionais e ambas são inversamente proporcionais a velocidade e a tensão.

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