MÁQUINA Eletricas 2

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MÁQUINA DE CORRENTE CONTINUA
Objetivos
Os principais objetivos neste experimento são dedicados ao estudo do funcionamento da máquina de corrente contínua em regime permanente como gerador e como motor e a determinação de alguns de seus parâmetros e características de funcionamento. 
Resumo teórico
O princípio de funcionamento da máquina de corrente contínua (máquina CC) baseia-se no conceito de comutação. Define-se comutação como processo de conversão de tensões e correntes alternadas no rotor de uma máquina CC para tensão e corrente unidirecional nos terminais da máquina CC ou vice-versa. A conversão ocorre por meio da armadura (rotor) e do comutador, girando em um campo magnético fixo. Os terminais da bobina do rotor são conectados aos segmentos condutores (lâminas do comutador) que por sua vez são acessados externamente por meio de contatos feito por escovas que são fixas e se situam na estrutura do estator.
	Na máquina CC o enrolamento de armadura está localizado no rotor e os enrolamentos de campo estão localizados no estator. A armadura gira num campo magnético produzido pelos os pólos do estator, a tensão é induzida no enrolamento da armadura. A seguir a expressão para a tensão induzida na armadura:
Ea = KaФωm
Ka = K / ωm e K= Ea/If
Onde Ka é conhecida como constante da máquina( ou de armadura).
A potência e o conjugado (torque) da máquina de CC são:
P= T ωm
T= KaФfIaωm
	Quando uma máquina CC funciona como gerador, o rotor é posto em movimento por meio de uma fonte de energia mecânica. Desta forma, os seus condutores cortam perpendicularmente a onda de fluxo criada pelo enrolamento do campo principal (estator), resultando em tensão induzida no enrolamento da armadura. A tensão induzida é retificada pelo processo de comutação e disponível externamente por meio de contatos nos terminais de saída do enrolamento de armadura.
	Quando funcionando como motor, o enrolamento de excitação ou campo (situado no estator) da máquina é alimentado com corrente contínua criando o campo principal. O rotor é excitado com corrente contínua e a interação entre esses dois campos defasados, normalmente de 90 graus elétricos, resulta na criação do conjugado (torque) eletromagnético.
	Operando como motor ou gerador a máquina de corrente contínua pode ser excitada de duas formas distintas, definindo duas famílias de máquinas CC, a saber: As máquinas CC com excitação independente e as máquinas CC auto-excitadas.
A máquina CC com excitação independente se caracteriza por serem independentes os acoplamentos elétricos entre os enrolamentos de campo e de armadura. Na máquina CC auto-excitada, existem pelo menos um ponto de acoplamento elétrico entre os enrolamentos de campo e de armadura, gerando a seguinte classificação:
Excitação em série: O enrolamento de campo está conectado em série com o enrolamento de armadura;
Excitação em derivação (em paralelo): O enrolamento de campo está conectado em paralelo com o enrolamento de armadura;
Excitação composta aditiva: Existe simultaneamente a excitação série e derivação, o fluxo criado pelo enrolamento de campo série de soma ao criado pelo enrolamento em derivação;
Excitação composta subtrativa: Existe simultaneamente a excitação série e derivação, e o fluxo criado pelo enrolamento de campo série de subtrai ao criado pelo enrolamento em derivação;
Para a obtenção dos parâmetros e características das máquinas CC, neste experimento, são procedidos os seguintes ensaios: ensaio de curto circuito; ensaio de circuito aberto e ensaio de carga.
No funcionamento da máquina como motor CC, deve-se inicialmente determinar o procedimento de partida. Na máquina CC com excitação independente, o enrolamento de campo deve ser alimentado com corrente nominal antes que se proceda à alimentação do circuito da armadura. A alimentação da armadura deve ser com tensão crescente, de zero até o valor nominal, tomando-se o cuidado para que a corrente de armadura não ultrapasse o valor nominal. 
Quando o motor alcança o regime permanente são realizados ensaios de modo a se obter as características: Força contra-eletromotriz de armadura x Corrente de armadura; Velocidade x corrente de armadura; Conjugado eletromagnético x corrente de armadura; Velocidade x Conjugado eletromagnético.
Estes ensaios são realizados com a imposição de cargas variáveis no eixo do motor, resultando em diversos pontos de operação para o motor.
O ajuste de velocidade de motores CC em amplas faixas é uma das razões para a sua aplicação em sistemas industriais. O controle de velocidade pode ser realizado tanto por meio da armadura ou como por meio de campo. Normalmente, o controle da corrente de armadura se faz para a obtenção de velocidade abaixo da obtida com corrente de armadura nominal. Para as velocidades superiores a nominal, realiza-se o controle da corrente de campo.
Equipamentos e Instrumentos Utilizados e Montagens
1 Máquina de Corrente Continua 4 pólos;
3 varivolt;
3 fonte CC;
5 multímetros;
2 watímetros;
1 máquina Síncrona e 1 máquina de indução 
1 painel de cargas (lâmpadas);
1 conta giros;
fios e cabos.
Fig 1 – Fonte de corrente contínua para medição das resistências dos enrolamentos.
Fig 2 – Diagrama esquemático para realização de ensaio de curto-circuito em geradores cc.
Fig 3 – Diagrama esquemático para realização de ensaio de circuito aberto em geradores cc.
Fig 4 – Diagrama esquemático para realização de ensaio de geradores cc em carga.
Medição da Resistência dos enrolamentos
Inicialmente fizemos um ensaio com a máquina de corrente contínua como gerador. A partir da aplicação de um sinal de tensão ao enrolamento de campo (estador), com excitação independente, foram obtidos os dados referenciados na tabela 1.
Tabela 1 - Resistência dos enrolamentos.
	Excitação de Campo (Estator)
	Armadura (Rotor)
	VF (V)
	IF (A)
	Rs (()
	VA (V)
	IA(A)
	RA (()
	209
	0,6
	340
	13
	9,3
	1,9
Os dados obtidos de resistência dos enrolamentos foram medidos utilizando um multímetro, a partir da lei de Ohm temos que: 
Rs = 209/0,6 = 348,33
Ra = 13/9,3 = 1,4
Assim podemos observar que os valores experimentais de aproximam dos valores teóricos.
Ensaio de circuito aberto em gerador com excitação independente
Para que podessemos analisar a característica de tensão a vazio do gerador excitação independente, o mesmo foi movimentado por uma máquina primária numa velocidade constante (motor síncrono) e variou-se a corrente de campo mediante o autotransformador variável (variac).
Em seguida foi realizado o ensaio de circuito aberto, assim, variamos a corrente de campo e medimos a tensão terminal da máquina. Os valores foram anotados na Tabela 2.
Tabela 2 – Ensaio de circuito-aberto: Máquina CC funcionando como gerador.
	IF (mA)
	0
	50
	100
	150
	200
	250
	300
	350
	400
	450
	500
	550
	600
	Vt (V)
	10
	40
	69
	98
	128
	154
	179
	122
	219
	237
	251
	263
	275
Como a máquina está operando a vazio, a leitura da tensão terminal é só função do fluxo de entreferro produzido pelo enrolamento de campo. Assim, a partir dos dadas da tabela 2 foi obtida a curva de magnetização do gerador CC.
Gerador com carga
Ensaio de adição de carga sem compensação da reação da armadura e controle de tensão terminal
Sabemos que quando cargas relativamente grandes são ligadas a um gerador o efeito da reação da armadura, o efeito da comutação e a queda de tensão na resistência da armadura provocam a queda de tensão. Para observarmos estes efeitos, ligamos cargas resistivas através de lâmpadas e obtivemos os dados da tabela 3.
Tabela 3 - Ensaio de adição de carga com excitação constante (sem compensação). If = 0,35 A
	PT
	200
	500
	700
	1000
	1200
	1500
	1700
	2000
	2200
	Ia (A)
	0,0
	0,73
	1,73
	2,33
	3,19
	3,61
	4,28
	4,66
	5,18Vt (V)
	200
	192
	169
	157
	138
	129
	116
	108
	98
Tabela 3a - Ensaio de adição de carga com excitação constante (com compensação). If = 0,35A
	PT
	200
	500
	700
	1000
	1200
	1500
	1700
	2000
	2200
	Ia (A)
	0,0
	0,75
	1,93
	2,65
	3,71
	4,40
	5,47
	6,13
	7,16
	Vt (V)
	200
	198
	195
	192
	188
	185
	181
	178
	173
Ensaio de adição de carga com compensação da reação da armadura e controle da tensão terminal (tensão terminal constante)
Para o ensaio de adição de carga com compensação da reação da armadura e controle de tensão terminal, ligamos cargas resistivas através de lâmpadas, controlamos a tensão terminal através da excitação e foram obtidos os dados da tabela 4.
Tabela 4 – Ensaio de adição de carga com excitação variável, mantendo-se a tensão terminal de armadura constante (com compensação).
	PT
	200
	500
	700
	1000
	1200
	1500
	Ia (A)
	0,0
	0,75
	1,96
	3,84
	5,80
	6,54
	If (A)
	0,35
	0,35
	0,36
	0,38
	0,41
	0,42
Máquina CC operando como motor: ligações série e independente
Figura 5 – Diagrama esquemático para acionamento de motor cc com excitação independente.
Figura 7 – Diagrama esquemático para acionamento de motor CC com excitação série
Primeiro foi realizado um ensaio para determinar as perdas rotacionais, elétricas e magnéticas da maquina CC operando como motor.
	Para podermos levantar as perdas totais de um pequeno sistema composto por gerador síncrono, motor CC com excitação independente (máquina primária) e carga acoplada na armadura do gerador síncrono, foi preenchida a tabela 5 a seguir:
Tabela 5 – Ensaio para determinação das características defuncionamento do motor CC com excitação independente
	
	I(A)
	V(V)
	velocidade
	Potência(W)
	MCC (vazio)
	0,65
	220
	1829
	143,0
	MCC+Gerador
	0,90
	220
	1823
	198,0
	MCC+Ger+Carga (300w)
	2,68
	220
	1805
	589,6
	MCC+Ger+Carga (600w)
	4,27
	220
	1796
	939,4
	MCC+Ger+Carga (900w)
	5,76
	220
	1788
	1267,2
	MCC+Ger+Carga (1200w)
	7,20
	220
	1777
	1584,0
Como podemos observar na tabela, à medida que a carga aumenta, aumenta também as perdas no sistema.
Em seguida foi realizado o ensaio para a determinação da característica de funcionamento da Maquina cc operando ainda como Motor com excitação série. Os valores foram anotados na tabela 6.
Tabela 6 – Ensaio para determinação das características de funcionamento do motor CC com excitação série (motor universal).
	
	I(A)
	V(V)
	velocidade
	Potência(W)
	MCC (vazio)
	3,33
	60
	2589
	199,8
	MCC+Gerador
	3,90
	60
	2090
	234,0
	MCC+Ger+Carga (300w)
	6,74
	60
	1165
	404,4
	MCC+Ger+Carga (600w)
	8,20
	60
	904
	492,0
	MCC+Ger+Carga (900w)
	9,09
	60
	795
	545,4
Assim, observamos que tivemos uma diminuição de velocidade com o aumento da carga.
Conclusão
Podemos concluir que a máquina CC é altamente dependente da velocidade de rotação, sendo sua corrente de armadura, no caso do gerador, variante com a rotação. 
	Vimos também a diferença entre as ligações de auto-excitação para os motores CC em série e em paralelo. Existem uma grande diferença na operação de ambos, que vai desde a corrente de armadura até a velocidade em regime permanente, que no caso em série são ambas de valores superiores ao da ligação em paralelo.
	Como sempre, notamos o aumento das perdas com o aumento da carga. Esse aumento da carga faz circular uma corrente maior pelos enrolamentos, aumentando as perdas por aquecimento, além do aumento das perdas por atrito e ventilação com o aumento da velocidade de operação.
Referências Bibliográficas
FITZGERALD, A. E., KINGSLEY, C. e KUSKO, A., Máquinas Elétricas. São Paulo: Ed. McGraw Hill do Brasil, 1978.
KOSOW, I. L., Máquinas Elétricas e Transformadores. Porto Alegre: Ed. Globo, 1979.
MONTERO, L.R.R, Coversão Eletromecânica. Campina Grande PB, 2001.
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