Estudo de um motor DC Potência e Rendimento

Transcrição

1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Estudo de um motor DC Potência e Rendimento José Nuno Fidalgo José Carlos Alves Projeto FEUP 2016/ MIEEC: Manuel Firmino Torres Sara Maria Ferreira Equipa 1MIEEC10_3: Supervisor: Hélio Mendonça Monitor: Artur Antunes Estudantes & Autores: Bernardo Araújo up @fe.up.pt Júlio Duarte up @fe.up.pt Edson Silva up @fe.up.pt João Costa up @fe.up.pt Ricardo Martins up Ruben Augusto up Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 1 /20

2 Resumo Os motores DC são máquinas que convertem a energia elétrica (corrente contínua) em mecânica, através de um movimento rotatório, devido à ação do campo magnético. Para mesmos valores de tensão, regista-se uma menor intensidade na corrente quando o motor não está sujeito a atrito. Já no que diz respeito ao rendimento, há um crescendo de rendimento com o aumento do peso até um máximo, a partir do qual volta a decrescer, havendo assim um valor ótimo de peso pendurado (que exerce força sobre o motor) para o qual, se maximiza o rendimento. Quanto maior for a tensão no motor, maior será o rendimento máximo e maior será o peso para o qual esse valor ótimo de rendimento se obtém. Palavras-Chave Atrito; Circuito; Corrente Contínua; Diferença de potencial; Intensidade de corrente; Lei de Ohm; Motor DC; Potência; Rendimento; Resistência Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 2 /20

3 Agradecimentos É com satisfação que mostramos todo o nosso agradecimento para com quem ajudou à realização deste relatório, a quem dedicamos esta secção. Em primeiro lugar, um agradecimento à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto que nos proporcionou todas as condições necessárias à concretização deste documento. A primeira semana do ano letivo foi muito importante para adquirir conhecimentos e competências necessários para a execução correta deste e dos restantes trabalhos desta Unidade Curricular, quer através das informações teóricas recebidas nas conferências, quer nas atividades práticas ao longo da semana. A toda a atenção e disponibilidade do supervisor do Projeto FEUP, professor Hélio Mendonça, e do monitor, Artur Antunes, que sempre prontamente nos ajudaram ao longo destes dias nas tarefas várias deste projeto. A todos aqueles que nos ajudaram e de alguma forma colaboraram connosco, aqui fica um sincero obrigado. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 3 /20

4 Índice Lista de figuras... pág.5 Lista de acrónimos.. pág.6 1. Introdução... pág.7 2. Correntes... pág.8 3. Motores elétricos. pág Motores DC. pág Tensão e Corrente... pág Atividade Experimental. pág Metodologia... pág Resultados Obtidos e Análise de Resultados... pág Conclusões... pág.19 Referências bibliográficas pág.20 Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 4 /20

5 Lista de figuras Fig. 1 - Motores pág.8 Fig. 2 - Motor DC pág.9 Fig. 3 - Diferença de potencial pág.10 Tabela 1 - Relação V motor e I corrente (com atrito).....pág.15 Tabela 2 - Relação V motor e I corrente (sem atrito)......pág.15 Gráfico 1 - Intensidade da corrente em relação à tensão pág.16 Gráfico 2 - Rendimento motor DC.... pág.17 Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 5 /20

6 Lista de acrónimos AC - Corrente alternada DC - Corrente contínua DDP - Diferença de potencial FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto I- Intensidade da corrente MIEEC - Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores UC - Unidade Curricular R- Resistência U ou V- Tensão V - Volt Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 6 /20

7 1. Introdução O Projeto FEUP é uma Unidade Curricular (UC) do 1.º ano que, desde o ano lectivo 2004/2005, pretende promover a integração social e académica, divulgar os serviços do campus, facilitar as aprendizagens iniciais e fornecer ferramentas não técnicas conhecidas como "Soft Skills", transversais a todas as engenharias, úteis para os respetivos cursos e para a futura atividade profissional dos estudantes da FEUP. O seguinte relatório foi elaborado no âmbito desta UC pelos alunos constituintes da equipa 3 da turma 10 do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, abordando o tema Estudo de um motor DC, centrando este problema no tópico Potência e Rendimento. Colmata-se assim a necessidade de registar o desenvolvimento das atividades do grupo e conseguimos desta forma fornecer à comunidade da FEUP informação fiável acerca deste assunto, através da divulgação das conclusões a que a equipa chegou resultantes do relatório desenvolvido. Este trabalho, que a seguir apresentamos, resulta da pesquisa relativa à procura de respostas a objetivos propostos, numa tentativa de familiarização com as leis básicas dos circuitos elétricos. Para tal, foram feitas medições básicas (tensão e corrente) em circuitos elétricos de corrente contínua, recorrendo à utilização do multímetro, assim como medição experimental da potência elétrica e mecânica e do tratamento e análise dos dados experimentais com recurso à utilização de folhas de cálculo. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 7 /20

8 2. Correntes Existem dois tipos de correntes, Corrente Contínua (DC, do inglês Direct Current) e Corrente Alternada (AC, do inglês Alternating Current). A Corrente Alternada é uma corrente elétrica cujo sentido varia periodicamente no tempo, invertendo a direção. AC é a forma na qual a energia elétrica é distribuída a empresas e residências. Já a Corrente Contínua é um fluxo de energia elétrica unidirecional. É produzida em baterias, pilhas, dínamos, células solares e fontes de alimentação, que alteram a corrente alternada para corrente contínua. 3. Motores elétricos Um motor elétrico é um dispositivo que transforma energia elétrica em mecânica. Aliada à energia elétrica, de baixo custo e facilidade de transporte, a construção deste tipo de motor, cujo custo é reduzido e apresenta bons níveis de rendimento, torna-o bastante utilizado. Têm como base de funcionamento fenômenos eletromecânicos, como a interação entre campos eletromagnéticos, maioritariamente, e a atuação de forças eletrostáticas. Estes motores magnéticos podem ser giratórios ou lineares, sendo os primeiros constituídos por duas partes, a parte giratória, rotor, e a parte fixa, estator. No entanto, existem dois grandes grupos de motores, que se classificam como motores AC e motores DC, este último constituindo o tema principal do trabalho. Fig.1 - Motores Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 8 /20

9 3.1- Motores DC Os motores de corrente DC (Direct Current) ou motores de corrente contínua (CC), como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão dos pólos magnéticos, fluxo magnético e indução de tensão elétrica. Os motores DC são máquinas que convertem a energia elétrica (corrente contínua) em mecânica, através de um movimento rotatório, devido à ação do campo magnético. Os motores sobre os quais o nosso tema incide são compostos fundamentalmente por duas partes: o estator e o rotor. A primeira é a parte estática da máquina, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa girar internamente. Esta é feita em ferro tratado termicamente e dotada de ranhuras no seu interior onde são alojadas as bobinas, e na fase externa observa-se que possui aletas para melhor dissipação do calor. Encontra-se envolvido num enrolamento de baixa potência chamado enrolamento de campo, possuindo este a função de produzir um campo magnético para interagir com o campo da armadura. Já a segunda, o rotor, é uma parte fixa montada sobre o eixo da máquina, construída de um material ferromagnético envolto num enrolamento de armadura e no anel comutador. Este enrolamento é o circuito responsável pelo transporte da energia proveniente da fonte de energia. O anel comutador é o responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura, este último constituído por 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. Fig.2 - Motor DC Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 9 /20

10 4.Tensão e Corrente Uma corrente é um fluxo de cargas elétricas, os eletrões livres que se movem num fio de cobre formam a corrente elétrica. A intensidade da corrente mede-se através da quantidade de eletrões ou cargas que passam num determinado sítio do fio a cada instante em Amperes(A). Como vemos na Fig.2 a diferença de pressão em dois pontos do fio é o que cria a diferença de potencial também chamada de Tensão. A tensão é o trabalho que deve ser realizado para se movimentar uma carga qualquer. Fig.3 - Diferença de potencial Por isso para medir a diferença de potencial é usado normalmente um voltímetro em dois pontos diferentes do sistema. Normalmente considera -se um ponto onde a tensão é zero e mede-se a tensão dos outros pontos em relação a este. A diferença de potencial vai causar o movimento dos eletrões. Como acontece nas diferenças de pressões por exemplo num reservatório de água que esteja mais alto que a saída da mesma, vai levar a uma diferença de pressão que vai causar o movimento da água o mesmo acontece na diferença de potencial. A tensão é o que causa o movimento dos eletrões e a corrente é o seu efeito ou seja o movimento dos eletrões. Mesmo não parecendo sem a Tensão não existe corrente. Mas o contrário pode acontecer. Por exemplo: numa tomada de energia existe uma tensão de 110V, mas só vai existir corrente a partir do momento em algum aparelho for ligado a esta tomada. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 10 /20

11 Primeira lei de Ohm: U = R I Segundo a Primeira Lei de Ohm um resistor ôhmico, mantido à temperatura constante, a intensidade (I) da corrente elétrica será proporcional à diferença de potencial (U) aplicada entre suas extremidades, ou seja, sua resistência elétrica é constante. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 11 /20

12 5.Atividade Experimental 5.1 Metodologia 1ª Experiência: Experiência de verificação da lei de ohm. Relação entre a tensão da fonte (V), a intensidade da corrente (A) e o valor da resistência. Montaram-se circuitos, como os acima representados, numa breadboard. Forneceu-se ao circuito uma tensão de 5V, uma intensidade de corrente de 0,185 A e instalou-se uma resistência de 27 k Ω calculados pelo código de riscas. Através da fórmula da lei de ohm, relacionaram-se as grandezas. (V=R*I) Registou-se o valor experimental da resistência. Calculou-se o valor da tensão com os valores práticos de resistência e intensidade. Material: Resistência (27 k Ω ) Material de ligação (Fios condutores, etc.) Multímetro Fonte de alimentação regulável Breadboard Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 12 /20

13 2ª Experiência: Na segunda atividade experimental, calculou-se a intensidade da corrente quando o motor tinha uma pá instalada e quando não a tinha, isto é, quando o sistema estava afetado por esse atrito e quando não estava. Material: Motor DC instalado numa breadboard Material de ligação Multímetro 3ª Experiência Constituindo o maior impacto na temática abordada, estudou-se a potência e o rendimento de um motor. Material: Sistema pré-instalado (Motor DC com encoder, roldana, arduino, placa de montagem) Material de ligação Multímetro Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 13 /20

14 Fonte de alimentação regulável Motor Bench V3 Pesos de chumbo de massa variável Montou-se uma roldana presa ao eixo do motor, ligada a um fio onde se pendurariam os pesos. Ligou-se o circuito ao computador com o programa Motor Bench V3. Os valores que o programa apresentava encontravam-se incorretos. Mediu-se o raio da roldana, mediu-se a intensidade da corrente, a velocidade angular do motor, ajustaram-se os limites para a altura dos pendentes (pesos) ( altura dos pendentes passa a ser referida como posição do motor ) e determinou-se os cofatores a utilizar no programa. Colocaram-se os pesos, combinados, de modo a ter determinadas massas presas ao mosquetão (0.05; 0.1; 0.15; 0.2; 0.25; 0.3; 0.4; 0.5; 0.7 (Kg)). No programa, inicializou-se o motor com 100% da tensão atribuída (6V) e registaram-se os valores da intensidade da corrente no motor, da velocidade angular do motor e da posição do motor. Repetiu-se o procedimento para 50% da tensão. Através de cálculos, calculou-se o rendimento do motor para as diferentes situações e construiu-se o gráfico que relaciona o peso que o motor tem que elevar (pendente) e o rendimento do mesmo. Utilizou-se para os devidos cálculos de rendimento a seguinte fórmula: em que a potência mecânica se calcula pelo produto entre a força exercida pelo peso (massa x aceleração gravítica), o raio da roldana e a velocidade angular do motor. Já a potência elétrica é dada pelo produto da intensidade pela tensão do motor. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 14 /20

15 5.2 Resultados Obtidos e Análise de Resultados 1º Experiência Obteve-se um valor prático de 26, 56 k Ω (próximo dos 27 k Ω teóricos medidos pelo código de riscas). Com os valores práticos de Resistência e Intensidade, calculou-se um valor de 4,91 V de intensidade através da fórmula V=RxI (próximo dos 5 V utilizados na fonte do circuito inicialmente) comprovando a igualdade utilizada. 2º Experiência Os dados recolhidos foram colocados nas seguintes tabelas e em seguida efetuaram-se os respetivos gráficos: Tabela 1 Tabela 2 Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 15 /20

16 Gráfico 1 Através desta experiência podemos verificar a veracidade da primeira lei de Ohm. Traçando uma função média aproximada dos resultados experimentais (que estão sempre sujeitos a erros), verificamos que o valor da diferença de potencial e o valor da intensidade de corrente são diretamente proporcionais conforme previsto pela lei. Neste caso, a resistência do sistema equivale ao inverso do declive do gráfico em cada situação, dado que o eixo das ordenadas corresponde aos valores de intensidade e o das abscissas à tensão. Assim, os resultados experimentais confirmam a teoria e no sistema afetado pelo atrito verifica-se uma menor resistência elétrica, uma vez que para a mesma tensão a intensidade é maior no sistema afetado pelo atrito. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 16 /20

17 3º Experiência Gráfico 2 De acordo com os dados que se encontram no gráfico, conseguimos analisar a variação do rendimento de um motor DC em função da tensão gerada por um peso. Esta tensão é calculada pelo produto entre a força exercida pelo peso, o raio da roldana e a velocidade angular. O Gráfico 3 fornece informação acerca do rendimento em função do peso utilizado para gerar tensão no motor. Os rendimentos observados são baixos (não ultrapassam os 35%) devido a vários motivos, de entre os quais destacamos o facto de a experiência não ter sido feita num ambiente altamente controlado, as notáveis perdas elétricas do acoplamento e a energia dissipada por atritos e sob a forma de calor resultante do funcionamento do motor. No entanto, é possível observar um aumento do rendimento com o aumento do peso, até se atingir um máximo ao pendurar pesos com valor equivalente a 0,2 kg quando se verifica uma tensão no motor de cerca de 3 V. Depois do sucessivo aumento de peso pendurado, o rendimento do motor volta a diminuir os seus valores de rendimento acabando por atingir o zero quando já não consegue levantar o pêndulo. Depois da repetição de todo o procedimento para uma tensão duas vezes maior, 6V, obtiveram-se valores que descrevem uma nova curva que ilustra um conjunto de Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 17 /20

18 rendimentos maiores do que os registados para a tensão mais baixa, tendo sido o novo máximo para esta tensão registado para 0,4 kg de peso pendurado. A partir deste peso, o rendimento volta a diminuir. A partir dos resultados obtidos, verificamos que existe um valor ótimo de rendimento no funcionamento do motor DC. Esse rendimento vai aumentando com o aumento do peso dos pendentes até atingir o seu máximo e a partir daí volta a diminuir, sendo necessária cuidado na escolha do peso para retirar o máximo de rendimento do motor. Esta variação de valores de rendimento pode explicar-se pela conjugação entre os valores da força exercida pelo peso (massa x aceleração gravítica) e da velocidade angular. Sabemos que com o aumento do a massa pendurada, aumenta essa força referida. No entanto esse mesmo aumento provoca uma diminuição da velocidade angular no motor. Como a potência mecânica é calculada pelo produto dessa força com o raio (constante) e com a velocidade angular, com o aumento de uma das grandezas e com a diminuição da outra, esta potência apresenta um valor ótimo de rendimento para uma conjugação correta do peso com a velocidade angular. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 18 /20

19 6. Conclusões Realizando uma pesquisa centrada no funcionamento e estrutura dos motores de corrente contínua, podemos constatar que estes, maioritariamente, são constituídos por duas partes: o estator e o rotor. Funcionam com base em fenómenos do campo magnético, são baratos e possuem bons níveis de rendimento. Através de atividades experimentais, foi possível concluir que para os mesmos valores de tensão, há uma menor intensidade na corrente quando o motor não está sujeito a atrito. Já no que diz respeito ao rendimento, obteve-se um gráfico desta mesma grandeza em função do peso pendurado no motor, sendo este representado por uma parábola com a concavidade voltada para baixo, o que mostra um crescendo de rendimento com o peso até um máximo, a partir do qual este volta a descer, havendo assim um valor ótimo de peso pendurado (que exerce força sobre o motor) para o qual, se maximiza o rendimento. Pela comparação destes valores com os valores obtidos para uma tensão no motor superior, concluímos também que quanto maior for a tensão, maior será o rendimento máximo e maior será o peso para o qual esse rendimento máximo se obtém. Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 19 /20

20 Referências bibliográficas Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2002, Alternating Current, atualizado em 17 de outubro de 2016, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2002, Direct Current, atualizado em 14 de outubro de 2016, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2002, motor DC, atualizado em 23 de setembro de 2016, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2002, Estator, atualizado em 6 de maio de 2015, Estudo de um motor DC - Potência e rendimento 20 /20