Lista de Exercícios - Máquinas Elétricas CC - Eletrotécnica

CURSO TÉCNICO ELETROTÉCNICA Disciplina de Máquinas Elétricas Nome TurmaData 1 Explique o que é FCEM como surge e de quais grandezas ela depende 2 O que é necessário para gerar um campo magnético 3 Explique o funcionamento básico de um motor CC 4 Observe a figura abaixo e localize na figura a Armadura b Enrolamento de campo c Enrolamento da armadura d Comutador e Escovas f Núcleo Explique a função de cada parte 5 Em uma máquina CC de quais grandezas depende o torque 6 O que deve ser feito na partida de motores CC 7 Quais variáveis posso atuar para variar a velocidade de uma máquina CC 9 Em motorshunt funcionando a plena carga acidentalmente foi interrompido o circuito que alimenta o campo da máquina Qual foi a reação da máquina Justifique corretamente sua resposta 10 Um motorshunt CC 240V quando submetido a carga nominal a corrente de armadura é igual 38A e a velocidade igual a 1200RPM A resistência de armadura é 03Ω e queda nas escovas de 4V a Se a carga no eixo for reduzida a corrente de armadura cai para 20A Neste ponto de operação qual a velocidade do motor b Qual a potência mecânica com carga nominal c Qual o torque desenvolvido em carga nominal desconsidere as perdas mecânicas 11 Em um motor CC quais grandezas elétricas podem ser alteradas para o controle da rotação Se estas grandezas forem acrescidas ou decrescidas qual é a consequência na velocidade acelerar ou desacelerar 12 Explique a reação do motor CC em etapas quando se incrementa um torque resistivo ao eixo 13 Explique o processo de aceleração do motor CC pela variação da tensão de alimentação 14 Um motorshunt CC 120V quando submetido a carga nominal a corrente de armadura é igual 20A e a velocidade igual a 1200RPM A resistência de armadura é 03Ω e queda nas escovas de 4V a Se a carga no eixo for reduzida a corrente de armadura cai para 12A Neste ponto de operação qual a velocidade do motor b Se em outro momento a corrente do campo for reduzida pela metade qual a nova velocidade c Qual a potência mecânica com carga nominal 15 Qual o fator que impede que o controle da velocidade seja realizado pelo nível de tensão da alimentação 16 Explique o controle de velocidade pelo enfraquecimento do campo CURSO TÉCNICO ELETROTÉCNICA Disciplina de Máquinas Elétricas Nome TurmaData 1 Explique o que é FCEM como surge e de quais grandezas ela depende Resposta Para definirmos força contra eletromotriz precisamos primeiramente definir o que é a força eletromotriz Basicamente tratase da energia elétrica gerada por uma fonte capaz de gerar trabalho em um circuito fechado Além disso ela surge devido ao movimento relativo do condutor com relação à corrente elétrica 1 Já a força contra eletromotriz como o nome já diz é uma força elétrica oposta à força eletromotriz e é gerada pela própria máquina elétrica não pela fonte que alimenta o circuito Em linhas gerais ela surge por conta do fluxo magnético induzido pelo movimento do rotor da máquina Portanto tratase do princípio envolvido na lei de Faraday da indução um campo magnético variável em um circuito é capaz de produzir uma corrente elétrica nesse circuito 1 Assim quando o rotor se movimenta o campo magnético gerado pelo estator irá variar e induzir uma própria corrente elétrica no circuito do rotor que também é capaz de criar um campo magnético Esse último será oposto ao campo magnético do estator Por fim a fcem depende da velocidade de rotação da máquina do número de espiras do rotor e de características construtivas e magnéticas do estator e do rotor 2 2 O que é necessário para gerar um campo magnético Resposta Genericamente o que gera o campo magnético é o movimento de cargas elétricas Portanto a corrente elétrica que nada mais é que a variação da posição de cargas em relação ao tempo é capaz de gerar campo magnético Na prática as maneiras mais convencionais de se gerar campo magnético são ímãs permanentes eou correntes elétricas provenientes de um gerador 3 Explique o funcionamento básico de um motor CC Resposta O motor CC funciona em corrente contínua e é um dispositivo capaz de converter energia elétrica em energia mecânica Basicamente isso acontece devido a interação entre um campo magnético gerado e um condutor elétrico O motor CC é constituído de duas partes principais a primeira delas é o estator Tratase da parte fixa do motor no qual estão presentes os chamados enrolamentos de campo pois é neles que surge o campo magnético constante necessário para o funcionamento do motor Esse campo é gerado por exemplo por uma fonte de corrente contínua 1 Já a segunda parte é o rotor Este é a parte móvel do motor e contém os enrolamentos de armadura De maneira geral fornecese uma corrente elétrica aos enrolamentos do rotor de tal forma que seja possível a criação de um segundo campo magnético que irá interagir com o campo magnético proveniente do estator 1 A interação entre os campos é capaz de produzir torque que nada mais é que uma força rotativa capaz de fazer o rotor girar nesse caso 4 Observe a figura abaixo e localize na figura a Armadura b Enrolamento de campo c Enrolamento da armadura d Comutador e Escovas f Núcleo Explique a função de cada parte Resposta Armadura Parte móvel do motor a qual contém os enrolamentos condutores Enrolamento de armadura Conjunto de condutores em torno da armadura capaz de quando há fornecimento de corrente elétrica criar um campo magnético próprio do rotor Enrolamento de campo Conjunto de condutores em torno do núcleo do estator capaz de também criar um campo magnético próprio nesse caso do estator caso haja fornecimento de corrente elétrica Núcleo Parte do estator capaz de suportar os enrolamentos de campo e fornecer o fluxo magnético necessário para que haja a interação entre os campos magnéticos Escovas Componentes capazes de permitir a transferência de corrente elétrica da fonte até o enrolamento de armadura Comutador Componente capaz de inverter a direção da corrente elétrica no enrolamento de armadura a cada meia volta o que garante o funcionamento contínuo do motor 5 Em uma máquina CC de quais grandezas depende o torque Resposta O torque em uma máquina CC depende de corrente que flui pela armadura fluxo magnético no entreferro número de espiras na armadura comprimento do entreferro velocidade do motor e aspectos construtivos tais como a geometria do rotorestator e características magnéticas dos materiais que constituem ambas as partes do motor 3 6 O que deve ser feito na partida de motores CC Resposta Primeiramente é necessária a utilização de um circuito auxiliar conhecido como circuito de controle Em linhas gerais o motor CC é controlado por um circuito contendo chaves de partida contatores etc Além disso é necessário também ajustar o circuito de campo do motor a fim de que haja uma corrente e um fluxo suficientes para geração do campo magnético desejado Esse ajuste é feito através de uma resistência variável presente no circuito de campo Além disso esse ajuste é necessário também para que haja um controle da velocidade do motor Feito isso é possível partir o motor de maneira segura e de forma previamente calculada 2 7 Quais variáveis posso atuar para variar a velocidade de uma máquina CC Resposta Segundo 1 as principais variáveis que podem ser alteradas a fim de variar a velocidade de uma máquina CC são 1 Corrente de armadura Nesse caso sabese que a velocidade do motor é proporcional à tensão aplicada na armadura Podese por exemplo aumenta essa tensão e consequentemente reduzir a corrente no enrolamento de campo a fim de aumentar a velocidade do motor É possível também fazer o inverso aumentar a corrente no enrolamento de campo e diminuir a velocidade do motor 2 Intensidade de campo magnético Esse ajuste se dá pelo controle da intensidade do campo magnético à medida que se diminui essa grandeza se aumenta a velocidade do motor e viceversa 9 Em motorshunt funcionando a plena carga acidentalmente foi interrompido o circuito que alimenta o campo da máquina Qual foi a reação da máquina Justifique corretamente sua resposta Resposta Nesse caso há uma reação em cadeia Caso isso aconteça a primeira reação é a diminuição abrupta do fluxo de campo magnético no enrolamento de campo pois a corrente fornecida ao circuito será interrompida Em consequência disso a tensão induzida na armadura também irá diminuir bruscamente fazendo diminuir a corrente de armadura Se a corrente de armadura diminui o nível de carga máxima suportada pelo motor irá diminuir pois o motor estará com torque inferior ao que ele foi projetado para trabalhar em plena carga Portanto se o torque é inferior a velocidade da máquina também será Assim uma interrupção do circuito ocasionará em instantes uma diminuição da velocidade de máquina e caso não haja reestabelecimento a mesma tenderá a parar 10 Um motorshunt CC 240V quando submetido a carga nominal a corrente de armadura é igual 38A e a velocidade igual a 1200RPM A resistência de armadura é 03Ω e queda nas escovas de 4V a Se a carga no eixo for reduzida a corrente de armadura cai para 20A Neste ponto de operação qual a velocidade do motor b Qual a potência mecânica com carga nominal c Qual o torque desenvolvido em carga nominal desconsidere as perdas mecânicas Respostas RESPOSTA MANUSCRITA E EM ANEXO arquivo Questão 10pdf 11 Em um motor CC quais grandezas elétricas podem ser alteradas para o controle da rotação Se estas grandezas forem acrescidas ou decrescidas qual é a consequência na velocidade acelerar ou desacelerar Resposta Tensão aplicada na armadura Aumentando essa grandeza a velocidade do motor aumentará pois a FEM irá aumentar o que faz com que a corrente de armadura aumente resultando aumento de torque e consequentemente da velocidade do motor Caso essa grandeza diminua a velocidade do motor tenderá a diminuir também 2 Corrente de campo Aumentando essa grandeza a velocidade do motor tenderá a diminuir já que a força magnética gerada pelo campo aumentará o que faz com que a FEM diminua e consequentemente a velocidade do motor também Caso se diminua essa grandeza a velocidade do motor aumentará 2 12 Explique a reação do motor CC em etapas quando se incrementa um torque resistivo ao eixo Resposta Segundo 3 o motor tenderá a reduzir sua velocidade e para voltar ao estado original haverá uma compensação na corrente de armadura As etapas desse processo envolvem 1º etapa velocidade da máquina tende a diminuir pois há uma maior carga mecânica a ser superada pelo motor 2º etapa corrente de armadura tende a aumentar pois se necessita de uma maior energia a fim de superar a nova carga 3º etapa criase um novo campo magnético no estator oposto ao campo original com tendência a enfraquecer este campo original 4º etapa o enfraquecimento de campo resulta em uma queda da fcem do motor fazendo com que haja aumento na corrente de armadura 5º etapa com este aumento há aumento no torque e o motor consegue superar a carga adicionada caso esteja dentro dos seus limites de operação 13 Explique o processo de aceleração do motor CC pela variação da tensão de alimentação Resposta Quando há variação da tensão de alimentação por exemplo através de aumento desta grandeza a corrente de armadura do motor irá aumentar Em consequência aumentase o torque do motor e a velocidade de rotação do mesmo de forma gradativa como uma aceleração propriamente dita Essa aceleração tem um certo valor de pico e depois de um tempo tende a se estabilizar em uma velocidade conntínua Essa estabilização advém da reação da força contra eletromotriz 1 14 Um motorshunt CC 120V quando submetido a carga nominal a corrente de armadura é igual 20A e a velocidade igual a 1200RPM A resistência de armadura é 03Ω e queda nas escovas de 4V a Se a carga no eixo for reduzida a corrente de armadura cai para 12A Neste ponto de operação qual a velocidade do motor b Se em outro momento a corrente do campo for reduzida pela metade qual a nova velocidade c Qual a potência mecânica com carga nominal RESPOSTA MANUSCRITA E EM ANEXO arquivo Questão 14pdf 15 Qual o fator que impede que o controle da velocidade seja realizado pelo nível de tensão da alimentação Resposta O fator que impede é o fato de que a relação entre tensão de alimentação e velocidade do motor não é linear Apesar de que este controle é válido para certas faixas de velocidade não é possível extrapolar para faixas com larga escala de variação pois um aumento excessivo de tensão pode levar a um sobreaquecimento dos enrolamentos do motor provocando avarias no mesmo Portanto há um limite de aplicabilidade deste método justamente por conta dos limites da própria máquina haja vista que a tensão e velocidade são grandezas diferentes onde o aumento de uma delas pode provocar um grande aumento não linear na outra por exemplo 1 16 Explique o controle de velocidade pelo enfraquecimento do campo Resposta Este método consiste em diminuir a corrente do enrolamento de campo Caso essa corrente diminua o campo magnético do estator também diminui diminuindo o torque e a velocidade do motor por consequência Normalmente isso é possível de ser feito em modelos de motor cc específicos onde o enrolamento de campo é separado fisicamente do enrolamento de armadura pois assim facilitase a diminuição da corrente através de técnicas diretas como o aumento da resistência do enrolamento de campo 3 Referências utilizadas para as respostas de todas as questões 1 Chapman S J 2005 Electric machinery fundamentals McGrawHill Education 2 Fitzgerald A E Kingsley Jr C Umans S D 2003 Electric machinery McGrawHill Education 3 Sen P C 2006 Principles of electric machines and power electronics John Wiley Sons Q10 Motor shunt CC 240V JA 38A v 1200 RPM RA 03 Ω Vesc 4V a JA 20A v Em condições nominais v Va RaJa Vesc Kφ 1200 240 03 38 4 Kφ Kφ 2246 1200 0187 Para JA 20A v Va RaJa Vesc Kφ v 240 03 20 4 0187 1230 RPM 01 b Pm τ ω Pm Kφ JA ω Kφ 0187 JA 38A ω 2π 1200 60 12566 rads Logo Pm 0187 38 12566 893 W 0893 kW c τ Kφ IA 0187 38 7106 Nm 02 Q14 a Nominal v VA RAIA Vsc Kφ Kφ 120 03 20 4 1200 Kφ 009167 Para IA 2 A v 120 03 12 4 009167 122614 RPM b Neste caso Kφ cai pela metade Supondo IA 20 A v 120 03 20 4 Kφ 2 2400 RPM 01 c Pm t W Pm Kdf Ia W 0 Pm 009167 20 2π 1200 60 Pm 23039 W