Eletricidade Aplicada à Engenharia Civil (Relatório de Laboratório)

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INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da humanidade, o homem sempre se mostrou argumentativo sobre diversos assuntos, entre eles a eletricidade, que hoje é responsável por tantas facilidades no mundo moderno.
Este relatório descreve resumidamente as principais características construtivas e tecnológicas das respectivas máquinas e motores de corrente contínua, indução, alimentação trifásica junto às suas teorias e aplicações. Também são abordados os processos de geração de tensão nos terminais da máquina em vazio. Devido a razões construtivas e ao seu custo maior em relação às máquinas de indução, estas outras máquinas são entretanto mais utilizadas como fontes geradoras.
Foi realizado experimento em laboratório denominado Gerador de corrente continua à vazio e verificado os seguintes dados: Quantidade de lâmpadas; Potência em watts, Frequência em Hz; Força em Kg; Corrente de campo em mA; Tenção de campo em volts; Corrente de armadura em mA e por fim Tenção de armadura em volts, com os valores obtidos neste experimento foi desenvolvido um gráfico que mostra a oscilação de corrente em função da quantidade de lâmpadas.
Também foram realizadas pesquisas sobre os conceitos de motores de corrente continua e suas relações, de indução e suas relações, conceito sobre alimentação trifásica, ligação triângulo e estrela em motores e relações de corrente e tensão.







MATERIAIS UTILIZADOS
Caixa de alimentação com proteção
Variador de tensão
Inversor de frequência
Retificador trifásico
Motor de indução trifásico (MIT)
Motor de corrente continua (MCC)
Armadura
Voltímetro
Medidores DC















TEORIA SOBRE MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
De uma forma mais prática encontramos esses motores em uma infinidade de aplicações e é, basicamente, controlado pela eletrônica. Ou seja, pequenos motores de corrente contínua estão presentes em gravadores, brinquedos, câmeras de vídeo, aparelhos de som, etc. Quando um aparelho eletrônico possui recursos parcialmente automatizados se faz necessário o uso de motores CC, que encontramos em diversos tamanhos, potência e aspectos.
O que são: Os motores de corrente contínua (CC) ou Direct Current (DC) são dispositivos desenvolvidos para operar aproveitando as forças de atração geradas por eletroímãs imãs permanentes, pois quando uma corrente elétrica passa por duas bobinas próximas, cria um campo magnético que pode fazer com surjam forças de atração ou repulsão, conforme a imagem a seguir:

É constituído por uma bobina entre os polos de um imã permanente ou de uma bobina fixa que opera de mesmo modo. Os polos da bobina móvel (rotor) ficam alinhados com o imã permanente, ao serem percorridos por uma corrente, gerando uma manifestação de uma fora de repulsão, na qual é responsável por fazer o conjunto móvel mudar de posição. A tendência do motor é dar meia volta para que seu polo norte se aproxime do polo sul do imã (a famosa lei "os opostos se atraem") ocorrendo de mesmo modo com o polo norte da bobina.
No entanto, em todo esse sistema, existe um comutador localizado no eixo do rotor, onde passa a corrente que circula a bobina. Seu objetivo é inverter o sentido da circulação da corrente que circula fazendo com que os polos mudem. Pois, com a inversão de polaridade, os polos do rotor mudam. Todo resultado se resumirá em uma transformação da forca de atração em repulsão, isto fará com que o rotor continue no mesmo movimento passando direto pela posição que, teoricamente, seria sua posição de equilíbrio. Daí o nome de CC – corrente contínua.
TEORIA SOBRE MOTOR DE INDUÇÃO E SUAS RELAÇÕES
A ausência de escovas comutadoras e apenas uma bobina fixa torna bastante simples entender o princípio de funcionamento. Esses motores são comumente encontrados no acionamento de toca-discos antigos, ventiladores, ventoinhas de chuveiro pressurizadores, bombas d'água de aquários, impressoras entre outros aparelhos que possuam sistema de ventilação ligado à energia – isto porque os motores de indução operam com corrente alternada.
Num motor de indução pode-se encontrar duas partes principais: Estator – responsável por toda parte estática do motor – e o Rotor – parte móvel. Entre eles encontra-se um espaço chamado de entreferro. Ambos são constituídos de chapas de ferrosilício laminado, com ranhuras uniformemente espaçadas alojando os condutores de um enrolamento polifásico/trifásico), semelhante ao de uma máquina síncrona.
Existem dois tipos de motores de indução:
Motor de indução gaiola de esquilo:

Figura 1: Motor de indução gaiola de esquilo
Neste modelo o rotor é composto de barras de material condutor que se localizam em volta do conjunto de chapas do rotor, curto-circuitadas por anéis metálicos em suas extremidades.

Motor de Indução com rotor Bobinado:

Figura 2: Ilustração – motor de introdução com rotor bobinado

Neste caso o rotor é composto de enrolamentos distribuídos em torno do conjunto de suas chapas.
O estator é constituído de um enrolamento trifásico (três fazes) distribuído uniformemente em torno do corpo da máquina, para que o fluxo magnético resultante da aplicação de tensão no enrolamento do estator produza uma forma de onda espacialmente senoidal. A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator irá produzir um campo magnético variante no tempo que devido à distribuição uniforme do enrolamento do estator irá gerar um campo magnético resultante girante na velocidade proporcional à frequência da rede trifásica. O fluxo magnético girante no estator atravessará o entreferro e por ser variante no tempo induzirá tensão alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão em curto circuito essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor o que, por sua vez, irá produzir um fluxo magnético no rotor procurando se alinhar com o campo magnético girante do estator. Como o valor das tensões induzidas no rotor (bobinado) dependem da relação de espiras entre o rotor e o estator, o mesmo pode ser considerado como o primário de um transformador e o rotor como seu secundário.
De motor à gerador: este tipo de motor quando é acionado por uma turbina e operado com uma rotação acima da síncrona pode gerar potência ativa e entregá-la ao sistema onde está conectado, passando então a funcionar como gerador.



TEORIA SOBRE ALIMENTAÇÃO TRIFÁSICA

No sistema de alimentação trifásica são utilizadas linhas de três e quatros fios para alimentação das cargas a partir dos geradores, sabemos que haverá um acoplamento magnético entre os fios quando um ou mais forem percorridos por corrente. Assim, a passagem de corrente senoidal em qualquer um dos fios irá induzir tensões também senoidais nos demais.
Para a resolução de circuitos, em sistemas de potência, este efeito é representado através de definição de indutâncias mútuas entre os fios, no caso geral, a resolução de circuitos trifásicos com indutâncias mútuas é relevantemente complexa, pois, o sistema pode tornar-se desequilibrado.


LIGAÇÃO TRIÂNGULO E ESTRELA EM MOTORES E RELAÇÕES DE CORRENTE E TENSÃO

A chave estrela-triângulo consiste na alimentação do motor com redução de tensão nas bobinas durante a partida. É aplicada em máquinas que partam em vazio (sem carga) ou com conjugado resistente baixo, tais como máquinas ferramentas clássicas para madeira, agrícolas, serra portátil, furadeiras, esmeris, ventiladores, bombas hidráulicas, etc. O funcionamento dessa chave consiste, de início, em ligarmos o estator do motor em estrela, e após um tempo de aproximadamente 3 a 25 segundos (tempo suficiente para que o motor atinja 90% da rotação nominal), mudamos a ligação para triângulo através de um temporizador, automaticamente. A corrente e o conjugado, em estrela, ficam reduzidos a 33% do valor que teriam na partida direta em triângulo. Por isso, devem-se utilizar motores com curva de conjugado elevado. O conjugado resistente da carga não deve ultrapassar o conjugado de partida do motor. A corrente, no instante de comutação, não deve atingir valores muito elevados, sob pena de se tornarem inaceitáveis. Uma comutação prematura (velocidade do motor ainda baixa), ou uma pausa muita longa de comutação, causa uma diminuição excessiva da velocidade e leva a um pico de corrente elevado. Já uma pausa muito curta de comutação pode fazer surgir uma corrente de curto-circuito sobre o arco voltaico ainda não extinto na ligação estrela. Sendo assim, não ofereceria nenhuma vantagem e seria prejudicial aos contatos do contator e à rede elétrica.

ESQUEMÁTICO DA MONTAGEM


EXPERIÊNCIA – GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUO À VAZIO
Tabela 1: resultados do ensaio em laboratório.

QTDE.
LÂMPADAS

POTÊNCIA
(W)

FREQUÊNCIA
(Hz)

FORÇA
(Kg)
CORRENTE DE CAMPO
(Mpa)
TENSÃO DE CORPO
(V)
CORRENTE DE ARMADURA
(Mpa)
TENSÃO DE ARMADURA
(V)
3
120
30
0,336
500
280
80
77,2
6
240
30
0,305
490
272
100
76,3
9
360
30
0,293
450
275
200
75,3
-
-
-
-
-
-
-
-
3
120
60
0,311
450
280
90
152,7
6
240
60
0,310
450
280
150
151,9
9
360
60
0,332
450
280
220
151,3


Na prática o experimento nos deu a percepção de conhecer e perceber as diferentes fazes do motor. Começamos com 3, 6 e 9 lâmpadas, com frequência de 30Hz, aumentamos essa frequência para 60Hz e tivemos resultados diferentes como mostra a tabela 1.
Com 3 lâmpadas com potência de 120W, frequência 30Hz, gerou uma força de 0,336Kg, uma corrente de campo de 500Mpa, tensão de corpo 280V, 80Mpa de corrente de armadura e por final a tensão de armadura de 77,2V.
Se compararmos com a mesma quantidade de 3 lâmpadas a mesma potência 120W, mas com a frequência de 60Hz, gerou uma força menor de 0,311Kg, 450Mpa de corrente de campo, 280V de tensão de corpo, uma maior corrente de armadura de 90Mpa, 157,7V de tensão de armadura, e com este aumento na frequência diminuiu alguns resultados mas aumentaram outros.
Com 6 lâmpadas potência 240V, 30Hz de frequência este motor gerou uma força de 0,305Kg, 490Mpa de corrente de campo, 272V de tensão de corpo um aumento de 80Mpa para 100Mpa de corrente de armadura, houve uma diminuição de tensão de armadura de 77,2V para 76,3V. Esses resultados se diferem com a mesma quantidades de 6 lâmpadas e mesma potência de 240V, frequência sintonizada em 60Hz, gerou uma força menor de 0,310Kg, uma corrrente de campo igual de 450Mpa, igualmente a tensão de corpo 280V, com um aumento de 90Mpa para 150Mpa, o resultado final houve uma diminuição de 152,7V para 151,9V. Na sequência fizemos o experimento com 9 lâmpadas, potência de 360W, 30Hz de frequência, foi gerado uma força nesta frequência de 0,293Kg, quando aumentamos a frequência para 60Hz mesma potência de 360W, houve também uma maior força passando para 0,332Kg, na corrente de campo uma igualdade de 450Mpa, tensão de corpo 275V mesma potência de 360W frequência de 30Hz.
No aumento da frequência para 60Hz, também um aumento nesta tensão de corpo para 280V, de igual modo as diferenças se acentuaram na corrente de armadura com frequência 30Hz, potência de 360W, obteve-se o resultado de 200Mpa, um aumento considerado quando aumentamos a frequência para 60Hz a potência de 360W, o resultado se difere para 220Mpa, de igual modo percebemos na potência de 360W, frequência de 30Hz, resultados expressivos na tensão de armadura de 75,3V, para 151,3V, quando aumentamos a frequência para 60Hz na mesma potência de 360W. No aumento de números de lâmpadas potência e também frequência percebemos resultados distintos em alguns itens da tabela.












CONCLUSÃO

Através dos estudos realizados e do experimento em laboratório onde colocamos em prática a teoria, obtivemos conhecimentos relevantes dentro da Eletricidade Aplicada, conhecimentos esses que inclui, conceito teórico sobre Motores de Corrente Continua (MCC), Motores de Indução Trifásica (MIT), bem como seu funcionamento e aplicações, também foi abordado o conceito de partida e alimentação de um motor trifásico, com sistema estrela e triângulo.


















BIBLIOGRAFIA

[1] Motor de Indução – teoria 15 (USP)
Acesso em 11/04/2015 às 18h07
http://disciplinas.stoa.usp.br/pluginfile.php/31672/mod_resource/content/1/Teoria.pdf
[2] Introdução à Maquina Síncrona (conversão de energia)
Acesso em 11/04/2015 às 19h16
http://www.estt.ipt.pt/download/docente/256__Apostila_MS.pdf
[3] Trifásicos (por Gerson Luqueta) Pdf
Acesso em 11/04/2015 às 19h27
http://gerson.luqueta.com.br/index_arquivos/trifasico.pdf
[4] Eletricidade e Magnetismo (Coleção Físicas em Contextos Vl. 3)
Maurício Pietrocola , Pogbim, Renata de Andrade e Raquel Romero.
Editora FTD.
http://www.ppgel.net.br/rabelo/ensino/maquinasII/partida2.pdf


8.1 Gráfico do ensaio do gerador de corrente contínua
120
30
0,339
500
280
80
77,2

9



6
240
30
0,305
490
272
100
76,3

0,293
450
275
200
75,3

60
0,311
90
152,7

0,310
150
151,9

360
0,332
220
151,3