Trabalho Laboratorial 2 docx

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Lista de Ilustrações 
Figura 1:Diagrama em bloco do motor cc ................................................................................. 4 
Figura 2:Motor de Excitação Separada ...................................................................................... 4 
Figura 3:Característica de velocidade ........................................................................................ 5 
Figura 4: Característica de binário ............................................................................................. 6 
Figura 5: Característica Mecânica ............................................................................................. 6 
Figura 6:Circuito eléctrico do motor de excitação independente usado na realização da 
experiência, acoplado ao gerador. .............................................................................................. 8 
Figura 7: Gráfico da velocidade em função da corrente da armadura ....................................... 9 
Figura 8: Gráfico do binário em função da corrente da armadura ........................................... 10 
Figura 9:Gráfico da velocidade em função do binário ............................................................. 11 
Figura 10: Circuito de paragem do motor ................................................................................ 11 
 
Lista de Tabelas 
Tabela 1: Correntes de arranque do motor ................................................................................. 8 
Tabela 2: Dados Experimentais ................................................................................................. 9 
Tabela 3: Valores de binários calculados e das correntes experimentais ................................ 10 
Tabela 4: Valores de binários calculados e das velocidades experimentais ............................ 10 
Tabela 5: Valores experimentais do tempo de paragem .......................................................... 12 
Tabela 6: Tempo de frenagem dinâmica do motor .................................................................. 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Índice 
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................... 1 
2. OBJECTIVOS DA EXPERIÊNCIA ................................................................................................................. 2 
3. MATERIAL USADO PARA A EXPERIÊNCIA ................................................................................................ 2 
4. VALORES DA CHAPA CARACTERÍSTICA (NOMINAIS) ................................................................................ 2 
5. RESUMO TEÓRICO .................................................................................................................................. 3 
5.1. LEIS FUNDAMENTAIS APLICADAS NA ANÁLISE DO FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS ................................. 3 
5.2. MÁQUINAS ELÉTRICAS DE CORRENTE CONTÍNUA ............................................................................................. 3 
5.3. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA ................................................................................................................ 4 
5.3.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ................................................................................... 4 
5.3.1.1. Motor de excitação separada .................................................................................................... 4 
5.3.2. MÉTODOS DE ARRANQUE DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA ..................................................................... 6 
5.3.3. PARAGEM RÁPIDA DO MOTOR ..................................................................................................................... 7 
6. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ......................................................................................................... 8 
6.1. ARRANQUE DO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA ............................................................................................ 8 
6.2. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR ......................................................................................... 8 
6.2.1. Analise comparativa das características de funcionamento .......................................................... 9 
6.3. PARAGEM RÁPIDA DO MOTOR ................................................................................................................... 11 
I. Remoção do motor da rede ............................................................................................................... 11 
II. Frenagem dinâmica ........................................................................................................................... 12 
7. CONCLUSÕES ........................................................................................................................................ 13 
8. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................... 14 
 
 
 
 
1 
 
1. Introdução 
O presente relatório, feito no âmbito da disciplina “Máquinas Elétricas 1”, visa dar a conhecer 
os resultados obtidos da segunda aula laboratorial da cadeira sobre tema “Características de 
funcionamento de um motor de corrente contínua com excitação separada”, que teve lugar no 
dia 12 de setembro do corrente ano, no Laboratório de Máquinas Elétricas. 
Uma máquina elétrica é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica 
(gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor) por meio de um campo eletromagnético. No 
caso de motores, o funcionamento é inverso: energia elétrica é fornecida aos condutores e ao 
campo magnético (no caso de ele ser gerado por eletroíman) para que surja a força magnética 
nos condutores, compondo um binário e causando a rotação (energia mecânica). 
Será do seguinte modo estruturado o presente relatório, começando pela teoria que vai abordar 
os princípios físicos envolvidos em motores, a estrutura de um motor, o seu princípio de 
funcionamento e a classificação dos motores que terá como destaque motores de excitação 
separada. Far-se-á a apresentação dos resultados experimentais e calculados com vista a obter 
as características de funcionamento dos motores em excitação separada. Por fim será colocado 
por cada ensaio as observações tidas bem como a conclusão final de todos ensaios no fim do 
trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. Objectivos da experiência 
➢ Aprofundar os conhecimentos sobre motores de corrente contínua; 
➢ Conhecer o equipamento de controlo manual de um motor de corrente contínua; 
➢ Obter experimentalmente as características de um motor de corrente contínua. 
 
3. Material usado para a experiência 
• Um gerador de corrente contínua; 
• Um motor de corrente contínua; 
• Fonte de tensão (220V e 110V); 
• 4 Amperímetros; 
• 4 Voltímetros; 
• 5 interruptores; 
• Reóstatos e limitador de corrente durante o arranque do motor; 
• Resistência de descarga durante a frenagem dinâmica; 
• Balcão de Montagem; 
• Velocímetro; 
• Resistência de carga; 
• Condutores (fios) de ligação. 
 
4. Valores da chapa característica (nominais) 
 Para o gerador 
𝑈𝑛 = 230𝑉, 𝐼𝑛 = 24𝐴 , 𝑛 = 1500𝑟𝑝𝑚, 𝑃 = 6.7𝑊, 𝑈𝑒𝑥𝑐 = 25 − 33𝑉, 𝐼𝑒𝑥𝑐 = 2.2 − 0.85𝐴 
 Para o motor 
𝑈𝑛 = 220𝑉, 𝐼𝑎 = 20.8 𝐴, 𝑈𝑒𝑥𝑐 = 62 𝑉, 𝐼𝑒𝑥𝑐 = 1.1 𝐴, 𝑃1 = 4 𝑘𝑊, 𝑁𝑚𝑒𝑐 = 1450rpm 
 
3 
 
5. Resumo teórico 
5.1. Leis fundamentais aplicadas na análise do funcionamento das máquinas elétricas 
5.1.1. Lei de Ampére 
Uma corrente elétrica passando através de um condutor produz um campo magnético na sua 
vizinhança. E dada pela seguinte expressão: 
∮ 𝐻𝑑𝑙 = ∑ 𝑖 
5.1.2. Lei de indução eletromagnética 
Em todo condutor enquanto sujeito a uma variação de fluxo magnéticaé estabelecida uma força 
eletromotriz (tensão) induzida. E dada pela seguinte expressão: 
𝑒 = −
𝑑𝜙
𝑑𝑡
 
Numa bobina, a tensão induzida é diretamente proporcional ao número de espiras: 
𝑒 = −𝑁
𝑑𝜙
𝑑𝑡
 
5.1.3. Princípio de conversão eletromecânica de energia 
O princípio de conversão eletromecânica de energia é talvez a base fundamental da análise do 
funcionamento das máquinas elétricas. Esta teoria nos permitirá estabelecer uma expressão do 
binário eletromagnético, em termos de variáveis da máquina. 
A energia do campo magnético está distribuída por todo espaço onde atuam forças. O valor 
desta energia pode escrever-se partindo da Lei de Ohm, na forma geral: 
𝑒 = 𝑖𝑅 +
𝑑𝜑
𝑑𝑡
 
A energia total no volume ocupado pelo fluxo magnético sendo permeabilidade magnética (𝜇) 
do material constante é: 
𝑤 = ∫ 𝜇
𝐻2
2
=
1
2
𝑙𝑖2 
 
5.2. Máquinas elétricas de corrente contínua 
Máquina de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia 
elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor). 
Partes constitutivas de uma máquina de corrente contínua 
A máquina de corrente contínua é constituída por duas partes principais: 
Uma parte fixa destinada, principalmente, à criação do campo fluxo magnético indutor; 
Uma parte móvel, designada por induzido, na qual se processa a conversão da energia mecânica 
em elétrica (gerador) ou da conversão da energia elétrica em mecânica (motor). 
As partes fixas e móvel estão separadas uma da outra por um entreferro. 
 
4 
 
A parte fixa contém: polos principais ou indutores, polos auxiliares de comutação e carcaça; 
A parte móvel ou induzido contém: uma armadura ranhurada, o enrolamento colocado na 
armadura e o coletor. 
5.3. Motor de corrente contínua 
Os motores de corrente contínua são dispositivos que funcionam com corrente contínua, 
destinados à transformação de energia elétrica em energia mecânica. Estes encontram aplicação 
em muitos ramos da indústria. A Fig. 1 Mostra o digrama em bloco de um motor cc. 
 
Figura 1:Diagrama em bloco do motor cc 
5.3.1. Classificação dos motores de corrente contínua 
Os motores de corrente contínua são classificados de acordo com a forma de ligação do 
enrolamento de excitação ou de campo em relação ao induzido. Assim pode ter se motores de 
excitação: 
a) Separada; 
b) Shunt; 
c) Série; 
d) Composta. 
Os vários tipos de motores de corrente contínua encontram larga aplicação, satisfazendo as 
diferentes exigências de acordo com os diversos tipos de acionamentos. 
O funcionamento de todos estes tipos de motores elétricos é baseado no mesmo processo 
energético que é caracterizado pelas equações da f.e.m e do binário. 
Portanto, este trabalho se fixará no estudo do motor de excitação separada. 
 
5.3.1.1. Motor de excitação separada 
No motor de corrente contínua de excitação separada o circuito do induzido e de excitação 
estão eletricamente separados, havendo necessidade de uma fonte externa para alimentar o 
circuito de excitação. 
 
Figura 2:Motor de Excitação Separada 
 
 
5 
 
5.3.1.2. Características de funcionamento dos motores de excitação separada 
As propriedades dos motores elétricos de corrente contínua definem-se pelo conjunto das 
seguintes características: 
I. Característica de velocidade:  = f(Ia), com U = constante e Iexc = constante; 
II. Característica de binário: M = f(Ia), com U = constante e Iexc = constante; 
III. Característica mecânica:  = f(M), com U = constante e Iexc = constante 
Nos acionamentos industriais, com motores elétricos têm grande importância as características 
mecânicas. 
I. Característica de velocidade 
A característica de velocidade mostra a velocidade de rotação em função da corrente no 
induzido: n = f(Ia), com U = constante e Iexc = constante 
O ponto de partida para o traçado desta característica é a equação de tensões do motor: 
U = Ea + IaRa, tendo em conta que E=KMΦn, e substituindo na equação de tensões pode-se 
obter a expressão que mostra o andamento da característica de velocidade. 
 
Onde: 
 
 
Figura 3:Característica de velocidade 
II. Característica de binário 
A característica de binário mostra a relação entre o binário e a corrente no induzido: 
T = f(Ia), com U = constante e Iexc = constante. 
Para o traçado desta característica recorramos à equação do binário: T = KMΦIa. 
Sendo a corrente de excitação, Iexc constante o fluxo magnético também será constante e tendo 
em conta que KM é um valor constante, então haverá proporcionalidade direta entre o binário e 
a corrente. 
 
6 
 
 
Figura 4: Característica de binário 
III. Característica mecânica 
A característica mecânica mostra a dependência entre a velocidade de rotação e o binário 
eletromagnético: 𝑛 = 𝑓(𝑀), com U=constante e Iexc = constante 
A expressão que mostra esta relação é obtida a partir da equação para a característica de 
velocidade. 
𝜔 =
𝑈
𝐶𝐸𝛷
−
𝑅𝑎
𝐶𝐸𝛷
𝐼𝑎 = 𝜔0 − ∆𝜔(𝐼𝑎) 
Sabendo que 𝑀𝑎 = 𝐶𝑀𝐼𝑎𝛷 (07), onde se pode exprimir a corrente como: 𝐼𝑎 =
𝑀𝑎
𝐶𝐸𝛷
 
Substituindo a corrente na expressão da característica de velocidade obtemos a relação final 
que nos permite traçar a característica mecânica: 
𝜔 =
𝑈
𝐶𝐸𝛷
−
𝑅𝑎
𝐶𝐸
2𝛷2
𝑀𝑎 = 𝜔0 − ∆𝜔 − ∆𝜔(𝐼𝑎) 
 
Figura 5: Característica Mecânica 
 
5.3.2. Métodos de arranque dos motores de corrente contínua 
As correntes de arranque dos motores dependem da potência nominal destes. Em geral estas 
correntes podem variar de 6 a 100 vezes a corrente nominal. 
De um sistema de arranque exige-se que este possa assegurar um binário de arranque, Mem, arr, 
tal que o tempo de arranque seja o necessário, para evitar o surgimento de chispas entre as 
escovas e o coletor. Outra exigência imposta a este sistema é a limitação das correntes de 
arranque. Assim existem os seguintes processos de arranque: 
a) Ligação direta do motor à rede; 
b) Ligação à rede através de um reóstato em série com o circuito do induzido; 
c) Ligação através de um grupo especial que permite diminuir a tensão do induzido. 
 
7 
 
5.3.3. Paragem rápida do motor 
Para parar o motor pode-se usar: 
a) Frenagem regenerativa - é o tipo de redução de velocidade que permite armazenar parte 
da energia em forma cinética ou elétrica para posterior utilização. 
b) Frenagem dinâmica - é a frenagem por meio de resistor, frenagem que possibilita o 
melhor controlo, de forma linear, sobre a redução de velocidade do motor. 
c) Frenagem por inversão da corrente de alimentação – como o próprio nome diz, há uma 
inversão da corrente de alimentação que fará com que o motor para de funcionar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
6. Procedimentos Experimentais 
Antes de se efectuarem a medição seguiu-se os seguintes processos: 
I. Elaborou-se o esquema de ensaio para um motor de excitação separada; 
II. Selecionou-se os equipamentos de medição e de manobra e, fez-se as ligações; 
III. Leu-se a chapa de características, para as duas máquinas (gerador e motor), e medimos 
o valor da resistência do induzido. 
Esquemas do ensaio 
 
Figura 6:Circuito eléctrico do motor de excitação independente usado na realização da experiência, acoplado ao gerador. 
 
6.1. Arranque do motor de corrente contínua 
Arrancou-se manualmente o motor e registou-se as correntes máximas absorvidas pelo 
induzido durante o arranque, preencheu-se a tabela: 
Tabela 1: Correntes de arranque do motor 
Ensaio 1 2 3 
Ia de arranque (A) 50 55 53 
 
Observações: No arranque do motor de excitação independente verificou-se que, mesmo 
adicionando um reóstato de arranque, a corrente de arranque do motor era muito alta, pois esta 
depende apenas da tensão aplicada e das resistências (da armadura, do contacto escovas-
coletor) 
6.2. Características de funcionamento do motor 
1. Arrancou-se novamente o motor e carregou-se por meio do gerador acoplado atéa corrente 
do induzido do motor atingir o valor nominal. Ajustou-se a corrente de excitação do motor de 
modo que a sua velocidade seja igual à nominal; 
2. Descarregando progressivamente o gerador registou-se o binário do motor, a corrente do 
induzido e a velocidade do grupo. 
 
9 
 
Nesta experiência foram obtidas as características de funcionamento de um motor de corrente 
contínua com excitação separada. No decorrer dos ensaios foram tiradas as leituras da corrente 
de armadura, da velocidade e do torque. 
Os resultados desta experiência estão descritos na tabela abaixo: 
Tabela 2: Dados Experimentais 
T (N.m) 2045.4 1704.5 1461 1266.2 974 681.8 418.82 272.72 0 
Ia (A) 19 17 14,5 12,5 10 7 5 4 2 
N (rpm) 1706 1717 1725 1730 1735 1744 1755 1760 1766 
𝜔(rad/s) 178,652 179,8 180,64 181,17 181,69 182,63 183,78 184,31 184,94 
 
6.2.1. Analise comparativa das características de funcionamento 
Devido a fatores inesperados, tais como: erros na leitura dos aparelhos; defeitos das máquinas; 
perdas (rotacionais e elétricas); reações do induzido, as curvas obtidas encontram-se 
ligeiramente desfasadas das esperadas. 
I. Característica de velocidade 
 
Figura 7: Gráfico da velocidade em função da corrente da armadura 
 
II. Característica do binário 
A característica do binário mostra a relação entre o binário em função da corrente no 
induzido:𝑀𝑎 = 𝑓(𝐼𝑎) 
178
179
180
181
182
183
184
185
186
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0
W
 (
R
A
D
/S
)
𝐼𝑒𝑥𝑐(A) 
 
10 
 
𝑀𝑎 =
(𝑈 − 𝐼𝑎𝑅𝑎)𝐼𝑎
𝜔
 
Tabela 3: Valores de binários calculados e das correntes experimentais 
Ia (A) 19 17 14,5 12,5 10 7 5 4 2 
Ma (Nm) 26,25 23,48 20,03 17,26 13,8 9,66 6,9 5.51 2.74 
 
 
Figura 8: Gráfico do binário em função da corrente da armadura 
 
Observações: Durante o ensaio constatou-se que o binário aumenta com o aumento da corrente 
de excitação, ou seja, há uma proporcionalidade directa entre ambas. 
 
III. Característica mecânica 
Tabela 4: Valores de binários calculados e das velocidades experimentais 
Ma (Nm) 26,25 23,48 20,03 17,26 13,8 9,66 6,9 5.51 2.74 
𝜔(rad/s) 178,652 179,8 180,64 181,17 181,69 182,63 183,78 184,31 184,94 
 
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0
M
A
(N
M
)
𝐼𝑒𝑥𝑐(A) 
 
11 
 
 
Figura 9:Gráfico da velocidade em função do binário 
 
Observações: Neste ensaio mantendo-se constante a tensão e a corrente de excitação, variando 
o binário observou-se que à medida que o binário aumentava a velocidade 𝜔 diminuía. 
 
6.3. Paragem rápida do motor 
Para este ensaio foi feita a paragem de duas maneiras: descarga do motor e remoção da 
alimentação do mesmo; Frenagem dinâmica. 
 
Figura 10: Circuito de paragem do motor 
I. Remoção do motor da rede 
A frenagem consiste em fazer parar o motor, bastando para tal tirá-lo da rede através de um 
interruptor. Ela é feita depois de retirado o acoplamento do motor –gerador, e desligado o 
circuito de excitação. 
A remoção do motor da rede foi feita três (3) vezes. Depois de removido o motor da rede, 
registou-se o tempo de paragem obtido. Os dados desta experiência estão descritos na tabela 
abaixo: 
178
179
180
181
182
183
184
185
186
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
𝜔
(R
A
D
/S
)
MA (NM)
 
12 
 
Tabela 5: Valores experimentais do tempo de paragem 
Ensaio 1 2 3 
Tempo (s) 17 16 17 
 
II. Frenagem dinâmica 
A frenagem dinâmica é feita introduzindo um reóstato no circuito. O induzido do motor é 
desligado da rede através de um interruptor e fechado sobre o reóstato também por meio de um 
interruptor, todo este processo de desligação do motor da rede e ligação do reóstato é feita em 
simultâneo. 
O ensaio referente a frenagem dinâmica foi realizada três vezes, variando a carga acoplada aos 
bornes do motor. 
O reóstato de carga usado é de 30Ω e 5A e foi colocado a 90%, 60% e 20% respetivamente. 
Os resultados obtidos nesta experiência estão descritos na tabela abaixo: 
 
Tabela 6: Tempo de frenagem dinâmica do motor 
RCarga (%) 90 60 20 
Tempo (s) 5 3 2 
Observações: Notou-se que ao desligar o motor por remoção da rede leva mais tempo do que 
o desligamento por frenagem dinâmica, pois, quando conectada uma carga nos terminais do 
motor, este funciona como gerador, alimentando a carga transformando a energia cinética em 
energia eléctrica enquanto na paragem através de corte da corrente de alimentação o tempo da 
paragem e mais longo visto que a energia cinética do que está animado o fará girar ainda algum 
tempo. Onde quanto menor a resistência menor o tempo de paragem. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
7. Conclusões 
As ferramentas apresentadas até aqui fornecem uma forma complementar de entender as 
características de funcionamento de um motor de corrente contínua de excitação separada, onde 
chegou-se às seguintes ilações: 
Durante o arranque directa do motor registam-se corrente de armadura muito superiores que 
corrente nominal devido ao facto de, no instante de arranque a velocidade do motor arranque é 
muito menor que a nominal porque tem que vencer a inércia, neste instante não há força contra 
motriz e a resistência de induzido sendo menor a corrente calculada será muito maior e sendo 
calculado da seguinte forma(V\Ra). 
É possível reduzir o tempo de paragem do motor usando a frenagem dinâmica. Que de certa 
forma auxilia no melhor desempenho da máquina dado que é uma paragem controlada. Deste 
facto, de frenagem dinâmica, levou-nos a mais uma verificação prática da irreversibilidade 
motor-gerador pois usou-se toda energia mecânica contida no motor para alimentar uma carga, 
bem como podia-se retornar a rede 
Porem não obtivemos resultados precisos que poderá ser resultado da qualidade dos materiais 
usados no experimento bem como os materiais usados para a medição. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
8. Bibliografia 
Notas dos Docentes 
Chapman, Stephen J. 1985 – Electric Machinery Fundamentals, Second Edition, McGraw- 
Hill, New York. 
Del Toro, Vincent. 1990 – Basic Electric Machinery, Prentice-Hall, New Jersey. 
Nasar, Syed. 1981 – Electric Machines and Electromechanics, Second Edition, McGrawHill, 
New York.