SISTEMAS ELECTROMECÂNICOS

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1 Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores GUIAS DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS ELECTROMECÂNICOS (LIC. ENGENHARIA AEROESPACIAL) Funcionamento motor da máquina de corrente contínua: características de regulação de velocidade de máquinas de corrente contínua de excitação série e de excitação independente. Funcionamento gerador da máquina de corrente contínua: característica em vazio e característica externa. Objectivos do trabalho O objectivos deste trabalho consistem na análise das características típicas de regulação de velocidade em regime permanente dos motores de corrente contínua de excitação série e independente, em virtude da sua maior utilização; e o estudo da máquina de corrente contínua em funcionamento gerador com a análise da sua característica em vazio e característica externa quando alimentando uma carga. A primeira parte do trabalho é realizada para ambas as máquinas (exc. série e independente) de uma forma sequencial, iniciando-se pelo arranque característico da máquina a ensaiar, seguindo-se do traçado experimental das principais características de regulação de velocidade da máquina enquanto funcionamento motor. A segunda parte do trabalho inicia-se pelo arranque da máquina motriz (máquina assíncrona trifásica) acoplada à máquina de corrente contínua, o estudo do fenómeno da auto-excitação, seguindo-se da obtenção da característica do gerador em vazio e quando alimentando uma carga. 1

2 SISTEMAS ELECTROMECÂNICOS Máquina de Corrente Contínua: funcionamento motor (excitação série) I- Esquema de ligações O esquema de ligações para o ensaio da máquina de corrente contínua de excitação série encontra-se descrito na figura 1. Verifique se as ligações indicadas condizem com a montagem experimental, procurando identificar os diferentes elementos do esquema de ligações. + A 1 R S T N PR 220 V V 1 M 1B1 2B2 G AT - D2 D1 UCL Figura 1. - Esquema de ligações para o ensaio da máquina de corrente contínua com excitação série. II- Lista de material M - Motor de corrente contínua SIEMENS (2GA3375-5B) G - Dínamo-freio SIEMENS AT - Auto-transformador trifásico PR - Ponte de rectificação trifásica a díodos V 1 - Voltímetro de bancada V (escala 150V) A 1 - Amperímetro de bancada A (escala 6A) UCL - Unidade de controlo da carga e de leitura da velocidade e do binário 2

3 III - Condução do trabalho O arranque da máquina série deve ser feito sempre com uma carga aplicada pois esta máquina embala em vazio e atinge velocidades elevadas com cargas pequenas, o que levaria à sua destruição devido à acção da força centrífuga. Em caso de embalamento do motor desligar imediatamente o disjuntor de corrente alternada indicado pelo docente. Antes de ligar o disjuntor de corrente alternada: Verificar se a protecção térmica do motor se encontra ligada à unidade de leitura UCL; Ligar a unidade de leitura UCL; Colocar o selector de binários na posição de 0,5; Colocar o selector de escala da velocidade na posição de 1500 r.p.m.; Ligar e colocar o regulador de carga do Dínamo-freio na posição 4,1. 1ª PARTE a) Verificar se o auto-transformador está colocado na posição de tensão zero. Em seguida, ligar o disjuntor de corrente alternada. Estando o regulador de carga na posição 4,1, regular de modo gradual através do auto-transformador a tensão aos terminais do motor, lida no voltímetro V 1, até que atinja 75 V. Isto corresponderá a aproximadamente um binário de carga de 1 Nm e a uma corrente no induzido de 2,2A, de modo a estabilizar a velocidade do motor série em torno de 1500 r.p.m. b) Aumentar a carga aplicada ao motor através da unidade UCL, de modo que a corrente lida em A 1 varie do valor de 2,2A, respectiva à carga inicial de 1 Nm, até que a corrente atinja os 4,5A. Leia e registre os valores da corrente I a em A 1, e do binário de carga T e velocidade do motor N na unidade UCL. 3

4 75V I a (A) T ( 0,5N) N (r.p.m.) c) Parar o motor, sem retirar a carga aplicada, levando a tensão V 1 aos terminais do motor a zero, através do auto-transformador. d) Desligar o disjuntor. 2ª PARTE Nesta segunda parte, realiza-se um ensaio semelhante ao efectuado anteriormente mas considerando agora uma tensão máxima V 1 aos terminais motor de 50V. A tensão V 1 deve ser novamente aumentada de forma gradual através do autotransformador até ao valor de 50V. De modo a que o motor não ultrapasse a sua velocidade nominal, deve-se aumentar o binário de carga aplicada até que o motor estabilize na velocidade de 1500 r.p.m. Retire, após alcançar esta situação de funcionamento, os valores de corrente, binário e velocidade. De seguida, aumente de forma gradual a carga aplicada ao motor através da unidade UCL. Leia e registre os valores da corrente I a em A 1, do binário de carga T e da velocidade do motor N. O valor de carga máxima a ser aplicado é alcançado quando a corrente lida em atingir o valor de 4,5A. A 1 4

5 50V I a (A) T ( 0,5N) N (r.p.m.) 5

6 SISTEMAS ELECTROMECÂNICOS Máquina de Corrente Contínua: funcionamento motor (excitação independente) I- Esquema de ligações O esquema de ligações para o ensaio da máquina de corrente contínua de excitação independente encontra-se descrito na figura 2. Verifique se as ligações indicadas condizem com a montagem experimental, procurando identificar os diferentes elementos do esquema de ligações. + A 1 R S T N PR 220 V V 1 M 1B1 2B2 G AT - UCL + A 2 F1 F2 220 V - Figura 2. - Esquema de ligações para o ensaio da máquina de corrente contínua com excitação independente. 6

7 II - Lista de material M - Motor de corrente contínua SIEMENS (2GA3375-5B) G - Dínamo-freio SIEMENS AT - Auto-transformador trifásico TC - Tensão contínua PR - Ponte de rectificação trifásica a díodos V 1 - Voltímetro de bancada V A 1 - Amperímetro de bancada A (escala 6A) A 2 - Amperímetro de bancada ±1 A R 1 - Resistência de arranque SIEMENS R 2 - Resistência variável de cursor 360Ω, 1A UCL - Unidade de controlo da carga e de leitura da velocidade e do binário III - Condução do trabalho Antes de ligar o disjuntor de corrente alternada: Verificar se a protecção térmica do motor se encontra ligada à unidade de leitura UCL; Assegurar-se que a resistência de arranque R 1 se encontra na posição 1 (START) Colocar a resistência R 2 aproximadamente na metade do seu percurso. Ligar a unidade de leitura; Colocar o selector de binários na posição de 0,5; Colocar o selector de escala da velocidade na posição de 1500 r.p.m.; 1ª PARTE a) Verificar se o auto-transformador está colocado na posição de tensão zero. De seguida, ligar o disjuntor de corrente alternada. Regular através do autotransformador a tensão aos terminais do motor, lida no voltímetro V 1, até que atinja 220 V. b) Variar a resistência de arranque desde a posição 1 até à posição 8. c) Ajustar a resistência R 2 de modo que a velocidade do motor seja de 1500 r.p.m. d) Variar gradualmente a carga aplicada ao motor através da unidade UCL até que a corrente do motor lida em A 1 atinja o valor máximo de 4,5A. Leia e registre os valores da corrente I a em A 1, e do binário de carga T e velocidade do motor N na unidade UCL. 7

8 220 V I a (A) T ( 0,5N) N (r.p.m.) e) Retirar a carga aplicada ao motor através da unidade UCL. Parar o motor levando a tensão V aos seus terminais a zero através do auto-transformador. 1 2ª PARTE Nesta segunda parte, fazem-se dois ensaios semelhantes ao anterior. No primeiro ensaio aplica-se uma tensão no induzido do motor de 180V, e no segundo ensaio uma tensão de 140V. Para ambos, leia e registre os valores obtidos para a corrente do induzido, binário, e velocidade do motor. 8

9 180 V I a (A) T ( 0,5N) N (r.p.m.) 140 V I a (A) T ( 0,5N) N (r.p.m.) 9

10 Questionário 1. - Indique as características nominais do motor série e do motor de excitação independente utilizados. Comente qual o significado destes valores e calcule para cada motor o seu binário nominal Justifique os processos de arranque utilizados para o motor série e para o motor de excitação independente Traçado das características típicas de regulação de velocidade em regime permanente de cada motor: Característica electromecânica de binário. Representa o andamento dos valores do binário mecânico útil no veio do motor, T, em função da corrente de carga, I a, mantendo-se a tensão V aos terminais do motor constante. 1 T = f ( I a ) Característica electromecânica de velocidade. Representa o andamento dos valores da velocidade motor, N, em função da corrente de carga, I a, mantendo-se a tensão V aos terminais do motor constante. 1 N = f ( I a ) Característica mecânica. Representa o andamento dos valores do binário mecânico útil no veio do motor, T, em função da velocidade do motor, N, mantendo-se a tensão V aos terminais do motor constante. 1 T = f ( N ) a) Trace num mesmo gráfico as características obtidas para o motor com excitação independente para os diferentes valores da tensão aplicada no induzido. Compare também para cada característica as curvas obtidas com o andamento das curvas teoricamente expectáveis. b) Trace num mesmo gráfico as características obtidas para o motor série para os diferentes valores da tensão aplicada no induzido. Compare para cada característica as curvas obtidas com o andamento das curvas teoricamente expectáveis Comente e justifique para ambos os motores ensaiados as possíveis formas de se variar a sua velocidade Compare a resposta das duas máquinas ensaiadas face a uma mesma solicitação de aumento de carga. 10

11 SISTEMAS ELECTROMECÂNICOS Máquina de Corrente Contínua: funcionamento como gerador (excitação derivação) I- Esquema de ligações O esquema de ligações para o ensaio do gerador de corrente contínua de excitação derivação encontra-se descrito na figura 3. Verifique se as ligações indicadas condizem com a montagem experimental, procurando identificar os diferentes elementos do esquema de ligações. Figura 3. - Esquema de ligações para o ensaio do gerador de corrente contínua de excitação derivação. 11

12 II - Lista de material M - Máquina de corrente contínua (Dínamo-Freio) 240V, 3000 r.p.m., 44.1A; Exc: 220V 0.5A V - Multímetro Unigor (grandezas contínuas, tensão) A - Multímetro Unigor (grandezas contínuas, corrente) R - Resistência variável de cursor 53Ω, 3A - Carga resistiva variável ESSELTE STUDIUM R c Fenómeno da auto-excitação Os geradores de corrente contínua com excitação derivação não necessitam para a sua excitação duma fonte auxiliar de corrente contínua. Para que a máquina se possa auto-excitar, é pois necessário existir um fluxo remanescente. Fechando-se o circuito de excitação e com o gerador a trabalhar com velocidade constante, aparecerá aos seus terminais uma tensão de valor reduzido (tensão remanescente). Esta dará origem à circulação de uma corrente no enrolamento de excitação a qual criará um fluxo magnetizante adicional. Dependendo do sentido da corrente no enrolamento indutor, o fluxo adicional criado terá o mesmo sentido do fluxo remanescente ou o sentido oposto. O gerador sé se auto-excita quando os dois fluxos têm o mesmo sentido. Assim, o mecanismo de auto-excitação ilustrado na Figura 4 só ocorre no sentido do fluxo remanescente. Note-se que o mecanismo de auto-excitação é por si só um processo instável. Este estabiliza num determinado ponto de funcionamento devido apenas à saturação magnética do material. U i Figura 4. Evolução da tensão aos terminais do induzido resultante do processo de auto-excitação. 1. Com o circuito de excitação em aberto, arranque com a máquina motriz (máquina assíncrona). Verifique a existência de uma tensão remanescente aos terminais do circuito do induzido. 2. Ao fechar-se o circuito de excitação, verifique a evolução da tensão aos terminais do induzido resultante do processo de auto-excitação. 3. Repita o processo de auto-excitação mas agora com o circuito de excitação invertido. Justifique o que acontece com o gerador e o mecanismo de auto-excitação. 12

13 4. Com o circuito de excitação na sua posição original e em aberto, arranque com a máquina motriz mas agora com o sentido de rotação invertido. Verifique o valor da tensão remanescente aos terminais do induzido e o que acontece com ela quando o circuito de excitação é ligado. Justifique também porquê a máquina nesta condição de funcionamento não se auto-excita. Característica em vazio Obtenha para este gerador a sua característica em vazio U = f i ) variando o valor da resistência R inserida em série com o circuito de excitação da máquina. Para cada valor de tensão obtido, registre os valores da corrente de excitação. Verifique a presença de um fluxo magnético remanescente. Note que esta relação representa, a uma dada escala, a curva de magnetização da máquina. Trace a relação tensão-corrente para obter então a característica em vazio do gerador. ( exc U i exc Característica externa Obtenha a característica externa deste gerador U = f ( I a ). Para isto, varie o valor da carga desde o seu valor máximo até zero mantendo a velocidade da máquina constante. U I a 13

14 Característica de regulação Obtenha a característica de regulação deste gerador I = f i ). Ajuste a corrente de excitação i exc a ( exc para um valor intermédio do observado anteriormente. Varie o valor da carga e ajuste a corrente de excitação i exc de forma a manter a tensão aos terminais do gerador constante. Anote os valores de I e de i. a exc I a i exc 14