Laboratório de Conversão Simulação 04 Modelando um Motor Dc no Simulink

Disciplina Laboratório de Conversão SIMULAÇÃO 04 Modelando um MOTOR DC no Simulink Professora ASSUNTO MOTOR DC RequisitosMateriais Computador com MATLABSimulink e Simscape Electrical instalados Objetivos O objetivo desta prática de simulação através do Matlab é estudar o funcionamento da máquina de corrente contínua 1 Revisão Teórica O motor de corrente contínua pode ser composto por uma bateria ou outra fonte de alimentação de corrente contínua Quando a corrente elétrica passa pela bobina e o campo magnético do ímã a força mecânica gerada produz o torque giro do eixo que gera o trabalho O controle de velocidade é feito pela variação da tensão e o fluxo acontece somente se o sistema estiver fechado polos acionados Nesse sistema a troca de energia entre o rotor e estator ocorre independentemente da existência de escovas e é formado pelas seguintes partes carcaça o envólucro do sistema enrolamento do rotor e estator bobinas com fios de cobre esmaltados escovas elementos de eletrografite ou grafite natural comutadores materiais isolantes de alta qualidade tampa de acesso ao sistema pode ser fabricada em ferro fundido ou ser soldadas portaescovas usadas para proteger a parte mecânica do motor mancais os rolamentos Existem basicamente dois tipos de motores de corrente contínua com ou sem escovas As escovas fazem o contato com o comutador com o intuito de alimentar o rotor Enquanto os motores com escova são mais baratos e podem funcionar em ambientes externo os modelos brushless sem escovas são mais eficientes uma vez que utilizam ímãs que não demandam tanta manutenção além de serem mais potentes e silenciosos Existem ainda as seguintes subdivisões de motores de corrente contínua 1 com excitação independente série Shunt em derivação ímãs permanentes brushless Dentre as vantagens dos motores de corrente contínua em relação aos de corrente alternada podemos destacar uma maior confiabilidade baixa manutenção eficiência pouco ruído leveza resistência às oscilações robustez e qualidade de comutação Por isso são usados em eletrodomésticos máquinas industriais brinquedos e veículos elétricos por exemplo Vantagens dos motores CC Baixa interferência eletromagnética ótimo para dispositivos eletrônicos sensíveis Estabilidade para placas de circuito e eletrônicos sensíveis Você pode executar seu produto com energia da bateria Melhor controle de velocidade 2 TAREFAS Assista ao vídeo DC motor speed control using MatlabSimulink 1 MOTOR CC Excitação independente Construa no Simulink o motor CC com excitação independente conforme mostrado no sistema abaixo 3 Clicando nos blocos a seguir ajustar os parâmetros Clique no ícone para configuração dos parâmetros e faça os ajustes conforme a seguir 4 Ajuste o bloco DC Source Rode a simulação Registre os valores dos osciloscópios Varie a tensão e observe os efeitos Anote suas observações Acrescente uma resistência em série com o campo O que acontece Retire a resistência de campo e acrescente uma resistência em série com a armadura O que acontece Escreva a relação que há entre Corrente de armadura e velocidade Corrente de campo e velocidade Resistência campo armadura e efeitos na velocidade Velocidade e Torque Te 5 2 MOTOR CC Shunt Faça o arranjo para o motor CC shunt Rode a simulação Registre os valores dos osciloscópios Varie a tensão e observe os efeitos Anote suas observações Acrescente uma resistência em série com o campo O que acontece Retire a resistência de campo e acrescente uma resistência em série com a armadura O que acontece Escreva a relação que há entre Corrente de armadura e velocidade Corrente de campo e velocidade Resistência campo armadura e efeitos na velocidade Velocidade e Torque Te 3 MOTOR CC Serie Faça o arranjo para o motor CC serie 6 Rode a simulação Anote suas observações Modifique os parâmetros da resistência de campo e a indutância conforme a seguir Rode a simulação Registre os valores dos osciloscópios Varie a tensão e observe os efeitos Anote suas observações Acrescente uma resistência em série com o campo O que acontece Escreva a relação que há entre 7 Corrente de armadura e velocidade Corrente de campo e velocidade Resistência campo e efeitos na velocidade Velocidade e Torque Te RELATÓRIO Apresentar um relatório descrevendo suas conclusões para o que foi solicitado acima Apresente print de telas Gráficos e valores obtidos 8 Nome SIMULAÇÃO 04 Modelando um MOTOR DC no Simulink 1 Motor CC Excitação independente Figura 1 Simulação motor de excitação independente Para o motor de excitação independente 5 HP 240 V 1750 RPM Campo 300 V foi montado o circuito no Simulink conforme ilustrado na Figura 1 As fontes de alimentação do circuito foram configuradas com uma tensão de 300 V e 240 V para o campo e armadura respectivamente e o torque exigido foi definido em 1 Nm A partir dessa configuração foram selecionados os seguintes parâmetros para monitoramento torque elétrico Nm corrente de campo A corrente de armadura A e velocidade do rotor rads Esses parâmetros foram visualizados em displays e osciloscópios a fim de avaliar o comportamento dinâmico do motor nessa configuração As Figuras 2 3 4 e 5 mostram os gráficos do torque elétrico corrente de campo corrente de armadura e velocidade ao longo do tempo respectivamente Devido a ausência de tensão induzida na armadura na partida do motor ECkϕ nn0 observase que a corrente da armadura possui um valor elevado I aV aEc Ra e conforme o aumento da velocidade do motor e com o surgimento da tensão induzida a corrente da armadura decresce até o rotor atingir velocidade constante Como o torque induzido é diretamente proporcional a corrente da armadura torque acompanha esse comportamento até o torque no rotor tornarse igual ao exigido pela carga Figura 2 Torque elétrico Nm Figura 3 Corrente de campo A Figura 4 Corrente de armadura A Figura 5 Velocidade rads As Figuras 6 7 8 e 9 mostram o comportamento dos parâmetros avaliados em relação à alteração da tensão de alimentação no circuito de campo Observouse que com o aumento da tensão de campo houve um aumento correspondente na corrente de campo Esse aumento da corrente de campo eleva o fluxo magnético no núcleo do motor resultando em uma diminuição da velocidade para compensar a tensão induzida Como a diminuição da velocidade é mais significativa do que o aumento do fluxo magnético a tensão induzida aumenta mais rapidamente reduzindo a corrente de armadura mais rapidamente do que na situação de tensão aplicada inferior Para o torque induzido como a corrente de armadura na partida permanece a mesma e há um fluxo magnético superior seu valor de partida é maior em relação à tensão de alimentação inferior No entanto o decréscimo do torque é mais rápido O contrário ocorre quando se diminui a tensão aplicada no circuito de campo Figura 6 Efeito da velocidade com a variação de tensão aplicada no campo Figura 7 Efeito da corrente de campo com a variação de tensão aplicada no campo Figura 8 Efeito da corrente de armadura com a variação de tensão aplicada no campo Figura 9 Efeito do torque induzido com a variação de tensão aplicada no campo As Figuras 10 11 12 e 13 mostram o comportamento dos parâmetros avaliados em relação à alteração da tensão de alimentação no circuito da armadura Observouse que ao aumentar a tensão aplicada não há alteração na corrente de campo ocorre um aumento na corrente de partida da armadura como consequência o torque da partida é mais elevado e a velocidade do rotor é superior a situação de tensão de alimentação inferior O contrário ocorre quando se diminui a tensão aplicada no circuito de armadura Figura 10 Efeito da velocidade com a variação de tensão aplicada na armadura Figura 11 Efeito da corrente de campo com a variação de tensão aplicada na armadura Figura 12 Efeito da corrente de armadura com a variação de tensão aplicada na armadura Figura 13 Efeito do torque induzido com a variação de tensão aplicada na armadura As Figuras 14 e 16 mostram o circuito do motor de excitação independente com resistência de 50 Ω aplicado aos circuitos de campo e armadura respectivamente Observase ao adicionar resistência no circuito de campo devido a diminuição de corrente de campo e consequentemente fluxo magnético ocorre um aumento da velocidade do rotor como mostra a Figura 15 Já ao adicionar resistência no circuito de campo ocorre uma menor aceleração da velocidade do motor acompanhada de uma menor velocidade em regime permanentecomo mostrado na Figura 17 Figura 14 Motor de excitação independente com resistência no circuito de campo Figura 15 Efeito da velocidade ao adicionar resistência no circuito de campo Figura 16 Motor de excitação independente com resistência no circuito de armadura Figura 17 Efeito da velocidade ao adicionar resistência no circuito de armadura A Figura 18 mostra a característica de torque induzido versus velocidade de um motor de excitação independente apresentando uma característica linear decrescente Esse gráfico demonstra como o motor responde à carga ao aumentar a carga o torque induzido se torna inferior à carga fazendo com que o motor perca velocidade Quando isso ocorre a tensão induzida diminui e consequentemente a corrente de armadura aumenta Com o aumento da corrente o torque induzido cresce até se igualar ao conjugado da carga porém em uma velocidade inferior à situação inicial Figura 18 Característica de torque induzido versus velocidade 2 Motor CC Shunt Figura 19 Simulação motor shunt Para o motor shunt 5 HP 240 V 1750 RPM Campo 300 V foi montado o circuito no Simulink conforme ilustrado na Figura 19 Como tratase de um motor shunt a mesma fonte de alimentação definida em 300 V do circuito de campo alimenta o circuito da armadura e o torque exigido foi definido em 5 Nm A partir dessa configuração foram selecionados os seguintes parâmetros para monitoramento torque elétrico Nm corrente de campo A corrente de armadura A e velocidade do rotor rads Esses parâmetros foram visualizados em displays e osciloscópios a fim de avaliar o comportamento dinâmico do motor nessa configuração A Figuras 20 mostra os gráficos do torque elétrico corrente de campo corrente de armadura e velocidade ao longo do tempo Devido a ausência de tensão induzida na armadura na partida do motor ECkϕnn0 observase que a corrente da armadura possui um valor elevado I aV aEc Ra e conforme o aumento da velocidade do motor e com o surgimento da tensão induzida a corrente da armadura decresce até o rotor atingir velocidade constante Como o torque induzido é diretamente proporcional a corrente da armadura torque acompanha esse comportamento até o torque no rotor tornarse igual ao exigido pela carga Figura 20 Velocidade corrente de armadura corrente de campo e torque induzido de um motor shunt As Figuras 21 22 23 e 24 mostram o comportamento dos parâmetros avaliados em relação à alteração da tensão de alimentação no circuito de campo Observase que o comportamento é semelhante ao motor de excitação indepentente entretanto como a tensão de alimentação é a mesma para os circuitos de campo e armadura os efeitos estão combinados Observase que ao aumentar a tensão aplicada ocorre um aumento na corrente de campo e na corrente de partida na armadura As consequências disso são respectivamente um aumento no fluxo magnético no núcleo do motor e um torque induzido de partida mais elevado Devido ao torque mais elevado a velocidade do motor cresce mais rapidamente e consequentemente a tensão induzida também aumenta rapdiamente Isso faz com que a corrente de armadura e torque decresçam rapidamente e se mantenham constantes até que o torque se torne suficiente para a carga com uma velocidade mais alta do que na situação de menor tensão aplicada Figura 21 Efeito da velocidade com a variação de tensão aplicada Figura 22 Efeito da corrente de campo com a variação de tensão aplicada Figura 23 Efeito da corrente de armadura com a variação de tensão aplicada Figura 24 Efeito do torque induzido com a variação de tensão aplicada As Figuras 25 e 27 mostram o circuito do motor de excitação independente com resistências de 50 Ω e 5 Ω aplicadas aos circuitos de campo e armadura respectivamente Observase ao adicionar resistência no circuito de campo devido a diminuição de corrente de campo e consequentemente fluxo magnético ocorre um aumento da velocidade do rotor como mostra a Figura 26 Já ao adicionar resistência no circuito de campo ocorre uma menor aceleração da velocidade do motor acompanhada de uma menor velocidade em regime permanentecomo mostrado na Figura 28 Figura 25 Motor shunt com resistência no circuito de campo Figura 26 Efeito na velocidade ao adicionar resistência no campo Figura 27 Motor shunt com resistência no circuito de armadura Figura 28 Efeito na velocidade ao adicionar resistência na armadura Figura 29 Característica de torque induzido versus velocidade A Figura 29 mostra a característica de torque induzido versus velocidade de um motor shunt que é equivalente ao motor de excitação independente apresentando uma característica linear decrescente Esse gráfico demonstra como o motor responde à carga ao aumentar a carga o torque induzido se torna inferior à carga fazendo com que o motor perca velocidade Quando isso ocorre a tensão induzida diminui e consequentemente a corrente de armadura aumenta Com o aumento da corrente o torque induzido cresce até se igualar ao conjugado da carga porém em uma velocidade inferior à situação inicial 3 Motor CC Série Figura 30 Simulação motor CC série Para o motor série foi montado o circuito no Simulink conforme ilustrado na Figura 30 A fonte de alimentação de 300 V foi aplicado ao motor com o circuito de campo em série com o circuito da armadura e o torque exigido foi definido em 5 Nm A partir dessa configuração foram selecionados os seguintes parâmetros para monitoramento torque elétrico Nm corrente de campo A corrente de armadura A e velocidade do rotor rads Esses parâmetros foram visualizados em displays e osciloscópios a fim de avaliar o comportamento dinâmico do motor nessa configuração A Figura 31 mostra os gráficos do torque elétrico corrente de campo corrente de armadura e velocidade ao longo do tempo É possível observar que a alta corrente de partida do motor causa um torque de partida bastante elevado em relação ao regime permanente devido a este ser diretamente proporcional ao quadrado da corrente de armadura Devido a esse torque elevado o motor tem uma aceleração rápida aumentando rapidamente a tensão interna gerada o que por sua vez reduz rapidamente a corrente da armadura e consequentemente o torque Devido à configuração série as correntes de armadura e de campo são iguais Figura 31 Velocidade corrente de armadura corrente de campo e torque induzido de um motor série As Figuras 32 33 e 34 mostram o comportamento dos parâmetros avaliados em relação à alteração da tensão de alimentação no circuito Observase que ao aumentar a tensão azul 400 V vermelho 300 V e verde 200 V a corrente de partida na armadura é mais elevada portanto há um maior torque de partida e em regime permanente a velocidade é maior conforme a tensão aplicada Figura 32 Efeito da velocidade com a variação da tensão aplicada Figura 33 Efeito da corrente com a variação da tensão aplicada Figura 34 Efeito do torque induzido com a variação da tensão aplicada As Figuras 35 mostra o circuito do motor série com resistências de 50 Ω aplicada Observase ao adicionar resistência no circuito ocorre uma diminuição da corrente de partida consequetemente um menor torque induzido que por sua vez fornece uma aceleração menor e em regime permanente ao fornecer o torque necessário para carga a velocidade é inferior a situação sem resistência aplicada Figura 35 Motor CC série com resistência aplicada ao circuito Figura 36 Efeito da velocidade ao aplicar resistência no circuito As Figuras 37 e 38 mostram a característica de torque induzido versus velocidade de um motor série apresentando uma decrescimento maior que dos motores shunt e excitação independente Esse gráfico mostra quando o torque vai a zero a velocidade tende a aumentar indefinidamente o que é bastante perigoso O motor CC série apresenta torques bastante elevados em relação aos outros tipos de motores Foi utilizado o circuito com resistência aplicada para melhor visualizar o descrescimento da velocidade de acordo com a carga na Figura 37 Figura 37 Característica de torque induzido versus velocidade com resistência de 50 ohms Figura 38 Característica de torque induzido versus velocidade CONCLUSÃO Através das simulações realizadas podese observar o comportamento dinâmico dos motores CC de acordo com a sua configuração Verificouse que os motores shunt e excitação independente podem ter suas velocidades controladas variando a tensão aplicada ou aplicando resistência no circuito da armadura ou campo sendo mais eficaz na armadura Já o motor série observouse um torque de partida bastante elevado e o método mais eficiente de variar sua velocidade seria através da variação da tensão aplicada devido as elevadas correntes de partidas poderam causar perdas indesejadas por efeito Joule