Overview
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
A máquina DC opera com correntes e tensões DC em oposição a uma máquina CA, que requer correntes e tensões CA. As máquinas DC foram as primeiras a serem inventadas e utilizam dois campos magnéticos controlados pelas correntes DC. A mesma máquina pode ser facilmente reconfigurada para ser um motor ou gerador se a excitação de campo apropriada estiver disponível, uma vez que a máquina DC tem dois campos denominados campo e armadura. O campo geralmente está no lado do estator e a armadura está no lado do rotor (oposto ou de dentro para fora em comparação com as máquinas CA). A excitação de campo pode ser fornecida por ímãs permanentes ou uma enrolamento (bobina). Quando a corrente é aplicada na armadura ou bobina do rotor, ela passa da fonte DC para a bobina através de pincéis estacionários e anéis de deslizamento montados no rotor rotativo tocando os pincéis. Quando a bobina de armadura do rotor é um laço de transporte atual, e é exposta a um campo externo do estator ou ímã de campo, uma força é exercida no laço. Uma vez que o laço está "pendurado" em ambos os lados do motor usando rolamentos, a força produz um torque que irá girar o eixo do rotor em vez de movê-lo em qualquer outra direção.
Essa rotação faz com que os campos magnéticos se alinhem, mas, ao mesmo tempo, os anéis de deslizamento alternam os lados dos pincéis, ou "deslocamento", e é isso que é conhecido como o processo de comutação. Quando essa comutação ocorre, o fluxo de corrente na bobina do rotor é invertido e os campos magnéticos se opõem novamente, causando mais torque na mesma direção de rotação. Este processo continua e o eixo do rotor gira fornecendo ação motora. Na operação do gerador, a rotação mecânica é fornecida ao eixo do rotor e a corrente flui para fora do rotor depois que ele é induzido devido a uma bobina móvel sob um campo magnético.
As máquinas discutidas neste experimento têm um sinuoso campo em vez de ímãs permanentes. Um processo de comutação que é crítico na operação da máquina DC usa anéis de deslizamento e pincéis para transferir energia do rotor (armadura) para o mundo exterior, já que o rotor está girando e ter fios giratórios iria torcê-los e quebrá-los. No entanto, esses pincéis e anéis de deslizamento têm grandes desvantagens de confiabilidade, pois requerem manutenção regular, substituição de escovas, limpeza e podem causar faíscas. Isso levou à substituição da maioria das máquinas DC por máquinas CA que não têm esses problemas, e as máquinas DC restantes têm principalmente excitação permanente de campo ímã, como em brinquedos e ferramentas simples de baixa potência. As máquinas CA denominadas máquinas DC sem escova (ou BLDCs) são máquinas CA que utilizam um inversor eletrônico de fonte DC e energia para tirar as tensões CA do inversor.
O objetivo deste experimento é testar duas configurações principais da máquina DC: shunt e série. Os testes destinam-se a estimar o fluxo residual na máquina e estudar as características sem carga e carregamento de diferentes configurações.
Principles
Existem quatro configurações principais de máquinas DC: separadamente animado, shunt, série e composto. Essas configurações são classificadas com base na localização da excitação do campo, onde o campo é um dos campos magnéticos necessários para operar a máquina como motor ou gerador. Uma vez que o enrolamento de campo é alimentado por uma fonte DC, essa fonte pode ser a mesma que alimenta a armadura do motor DC, ou pode ser separada. Quando separada, a máquina é denominada "separadamente excitada", e quando não, a localização do sinuoso de campo no circuito do motor determina que tipo de configuração ela é. Se o enrolamento do campo for colocado em paralelo com o enrolamento da armadura para ver a mesma fonte de tensão alimentando a armadura, a máquina está na configuração paralela ou de shunt.
Se o enrolamento de campo estiver em série com o enrolamento da armadura para que eles tenham o mesmo fluxo de corrente, a máquina está na configuração da série. Se ambos os enrolamentos estiverem disponíveis, ou seja, desvios e enrolamentos de série são usados, então a máquina está na configuração composta. A configuração separadamente animada é independente da armadura e pode ser regulada para suportar várias cargas através do controle automático. No entanto, as configurações de shunt, série e compostos retiram a corrente da mesma fonte de armadura e, portanto, são afetadas pelas variações de tensão de carga e armadura.
Sem excitação de campo, o magnetismo residual devido ao campo magnético residual (λR) na máquina atua como fonte para excitação de campo menor. Isso pode ser expresso como um termo adicional na equação de trás e.m.f.(EA) "λRω" que é adicionada a"KIFω" onde ω é a velocidade mecânica da máquina. Para uma máquina DC composta, EA é assim,
EA= KshIFshω+ KseIFseω+ λRω, (1)
onde"se" significa série,"sh" significa shunt, e os termos K são constantes de campo que relacionam a corrente de campo e a velocidade mecânica à parte de trás e.m.f. Lembre-se que os valores K são constantes até que um limite de saturação seja atingido, após o qual eA satura até um determinado valor.
Idealmente, λR é assumido como zero, mas isso não é realista. Para determinar λR, uma máquina DC é executada como um gerador sem desvio ou excitação de série e sem carga. Assim, a tensão terminal medida VA=EA. Se ω for medido, λR pode ser determinado. EA é uma tensão característica das máquinas DC, uma tensão que contraria a tensão da armadura para limitar a corrente na máquina. Na operação do motor, o EA é menor que a tensão da armadura, e o EA superior leva a menos desenho de corrente de armadura. Depende da velocidade do eixo, como mostrado na Equação 1, e, portanto, ter um EA maior causa maior operação de velocidade. Nas aplicações do gerador, EA é a tensão induzida de girar um campo magnético na armadura versus o campo.
Para uma máquina de shunt, a Equação 1 ainda se mantém, mas iFse está definida como zero; para uma máquina de série, a Equação 1 ainda se mantém, mas IFsh está definido como zero. As máquinas compostas têm shunt e séries conectadas e podem ser em forma longa ou curta. Quando ambos os campos existem, seu efeito pode somar ou se opor uns aos outros, como visto pela armadura, e essas configurações são denominadas cumulativas ou diferenciais. Essas configurações podem ser obtidas variando a localização do campo de desvio antes ou depois do campo da série, e fazendo com que as correntes de campo entrem ou deixem seus respectivos pontos. Fig. 1-4 mostram todas as quatro configurações.
Figura 1: Um esquema de uma configuração cumulativa de composto longo.
Figura 2: Um esquema de uma configuração cumulativa de composto curto.
Figura 3: Um esquema de uma configuração de composto longo diferencial.
Figura 4: Um esquema de uma configuração diferencial de composto curto.
O objetivo deste experimento é comparar as relações de corrente, tensão e carga em séries e shunt configurados motores DC. Uma vez que apenas uma fonte de alimentação DC de alta potência está disponível nesta demonstração, a operação separadamente animada não é coberta. Para configurações de shunt e série, o motor principal do gerador DC é um motor síncromo que regula sua velocidade para 1800 RPM. Sempre que uma medição de corrente DC for necessária, como IA ou IFsh,use o multi-medidor digital no modo atual (certifique-se de que os terminais do vários medidores estejam na configuração atual).
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Procedure
1. Testes DC
- Com a fonte de alimentação DC de baixa potência limitada a 0,8 A, conecte os terminais de alimentação à armadura da máquina DC.
- Regisso da tensão DC do suprimento e leituras atuais.
- Estimar a resistência de cada enrolamento.
- Repita para os outros enrolamentos, campo de desvio e campo de série, um de cada vez.
- Desligue e desconecte a fonte de alimentação DC de baixa potência.
- Defina o reostat de campo embutido para máxima resistência e meça sua resistência.
- Defina o reostat de campo da série (externo) à máxima resistência e meça sua resistência.
2. Configuração do Prime-Mover e Magnetismo Residual
O prime-mover neste experimento é a máquina síncrona, que funciona como um motor que gira o rotor gerador DC (armadura).
- Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor e o interruptor do motor DC estejam desligados.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração mostrada na Fig. 5.
- Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Ligue a fonte de alimentação DC de alta tensão.
- Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
- Pressione o botão "V/I DIS" no fornecimento para exibir os pontos de funcionamento de tensão e corrente. Ajuste o botão de tensão para 125 V.
- Não pressione o botão de partida.
- Pressione o botão "Iniciar" no painel de alimentação DC.
- Aumente lentamente a saída VARIAC até que o VAC1 leia 120 V.
- Quando o motor síncrocro atingir uma velocidade de estado estável, gire o interruptor Iniciar/Executar para a posição Executar.
- Meça e regise a velocidade de rotação usando a luz estroboscópica e grave VA.
- Desligue a fonte de alimentação DC e devolva o VARIAC para 0%.
- Reinicie o switch "Iniciar/Executar" para "Iniciar".
- Desligue o interruptor de desconexão trifásica.
Figura 5: Um esquema de como configurar o prime-mover. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Caracterização do gerador de shunt DC
- No lado do gerador DC, conecte o campo de desvio em paralelo com o campo de armadura, como mostrado na Fig. 6.
- Use o reostat embutido para RFsh(ramal)e use o multi-medidor como amômetro para medir IFsh.
- Mantenha "S1"aberto para um teste sem carga.
- Mantenha "RFsh(ext)" em resistência máxima.
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Pressione o botão "Iniciar" no painel de alimentação DC.
- Aumente lentamente a saída VARIAC até que o VAC1 leia 120 V.
- Quando o motor síncrocro atingir uma velocidade de estado estável, gire o interruptor "Iniciar/Executar" na posição "Executar".
- Meça a velocidade do eixo usando a técnica de luz estroboscópica descrita em outros lugares.
- Registo V A nesta condição sem carga no lado do gerador DC.
- Reduza RFsh(ramal) até que a tensão gerada em VA esteja em torno de 150 V.
- Depois desse ponto, reduza "RFsh(ram)" em cinco passos quase iguais até que a resistência mínima seja alcançada.
- Para cada etapa, meça VA e IFsh.
- Deixe RFsh(ramal) pelo seu valor mínimo.
- Desligue a fonte de alimentação dc.
- Reduza a produção VARIAC para 0%.
- Mova o amômetro da medição IFsh para medir IA.
- Reinicie a configuração conforme descrito anteriormente.
- Defina RL para 300 Ω, e ligue "S1". Medida VA e IA.
- Desligue "S1",defina RL para 200 Ω, depois ligue "S1". Medida VA, e IA.
- Desligue "S1",defina RL para 100 Ω, depois ligue "S1". Medida VA, e IA.
- Desligue a fonte de alimentação DC e defina a saída VARIAC para 0%.
- Mantenha o lado síncrocro da configuração intacto.
- Desconecte as conexões do gerador DC.
- Reinicie o switch "Iniciar/Executar" para "Iniciar".
- Desligue o interruptor de desconexão trifásica.
Figura 6: Um esquema da configuração do gerador DEDC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Caracterização do gerador da série DC
- No lado do gerador DC, conecte o campo da série em série com o campo de armadura, como mostrado na Fig 7.
- Use o reostat externo para RFse(ramal).
- Use o reostat embutido como RL e tenha-o com a máxima resistência.
- Mantenha "S1"aberto para um teste sem carga.
- Mantenha RFse(ramal) com máxima resistência.
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Pressione o botão "Iniciar" no painel de alimentação DC.
- Aumente lentamente a saída VARIAC até que o VAC1 leia 120 V.
- Quando o motor síncrocro atingir uma velocidade de estado estável, gire o interruptor "Iniciar/Executar" na posição "Executar".
- Meça VA nesta condição de não carga no lado do gerador DC.
- Ligue "S1"e reduza RFse(ramal) conforme necessário para ver o VAnão-zero .
- Varie RL em cinco passos quase iguais até que sua configuração de 50% seja atingida, definida para 300 Ω e ligue "S1". Meça a velocidade, VA,e IA.
- Desligue "S1",defina RL para 200 Ω, depois ligue "S1". Meça a velocidade, VA,e IA.
- Desligue "S1",defina RL para 100 Ω, depois ligue "S1". Meça a velocidade, VA,e IA.
- Desligue a fonte de alimentação dc.
- Defina a saída VARIAC para 0%.
- Mantenha o lado síncrocro da configuração intacto.
- Desconecte as conexões do gerador DC.
- Reinicie o switch "Iniciar/Executar" para "Iniciar".
- Desligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Desmonte todos os fios e medidores.
Figura 7: Um esquema da configuração do gerador DC série. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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DC Motors, equipamentos de acionamento, que vão desde brinquedos pequenos e ferramentas elétricas recarregáveis, até veículos elétricos. Estas máquinas eletromecânicas consistem em uma bobina condutora interna, chamada armadura, e um ímã externo, chamado estator. Uma fonte DC fornece corrente para a armadura através de um escorregador de comutação. Induzindo força eletromagnética e permitindo a rotação do laço. A magnitude da força eletromagnética depende do ângulo entre o campo magnético e a bobina, criando flutuações no torque com rotação. Enrolamentos múltiplos, espaçados ao redor da armadura, minimizam as flutuações do torque e impedem que o comutador se forme, diminuindo a fonte de alimentação. O comutador que escorrega periodicamente alterna a direção da corrente através da bobina, impedindo ainda mais o alinhamento dos campos magnéticos. Este vídeo introduz as configurações do motor DC e demonstra a medição das características de desempenho do motor DC, como velocidade, corrente e tensão com carga variada.
Os staters ímãs permanentes, em máquinas DC são os mais comuns, no entanto, quando o campo magnético staters é produzido através de enrolamentos condutores, características de desempenho, como velocidade e saída de torque, podem ser modificadas através do projeto de campo elétrico. Por exemplo, a velocidade está relacionada com a tensão desenvolvida pelo motor, chamada de força do motor eletro, ou EMF. Da mesma forma, o torque é proporcional à corrente. Essas características variam dependendo do design do motor e influenciam o design do motor selecionado para determinadas aplicações. As quatro configurações eletrônicas básicas das máquinas DC são separadamente animadas, desviadas, séries e compostas. Motores separadamente animados usam fontes de alimentação separadas para o campo e armadura, permitindo que o controle independente suporte cargas variadas. No design do shunt, a configuração mais comum, os enrolamentos de campo são conectados paralelamente à carga de armadura, com uma fonte DC comum. Isso fornece velocidade ajustável com carga variada, que é útil em máquinas-ferramentas e bombas centrífugas. Na configuração da série, um fornecimento DC alimenta o campo e a armadura em série. Isso proporciona maior torque de partida para superar cargas intertiais em equipamentos, como trens, elevadores ou guinadas. Os motores de design composto usam circuitos de shunt e séries tanto para o torque de alta partida quanto para a regulação da velocidade. O campo de desvio pode estar carregando antes ou depois do campo da série. Agora que as configurações dos motores DC foram delineadas, a análise das relações de corrente, tensão e carga nos motores DC de shunt será demonstrada.
Os dados coletados nos testes DC podem ser usados para construir modelos de circuito equivalentes, se necessário. Antes de medir as características elétricas do motor DC, defina a fonte DC de baixa potência para 0,8 amperes e conecte os terminais de alimentação à armadura da máquina. Em seguida, registos de tensão e corrente. Em seguida, use um rímetro para medir a tensão e a corrente através da armadura, enrolando o campo de desvio e o campo da série. Use os dados para estimar a resistência em cada componente. Depois de medir as características básicas do gerador do motor DC, defina o reostat de campo incorporado para as configurações máximas e meça sua resistência. Finalmente, coloque o reostat de campo da série externa ao seu limite superior e meça sua resistência.
Após os testes do motor DC, uma máquina síncrona é usada para girar a armadura da máquina DC. Assim, a máquina DC é executada como um gerador, sem excitação de campo, em seguida, sem carga. Nestas condições, a tensão terminal é igual a EMF. A velocidade rotacional do gerador é medida, e usada para calcular o magnetismo retido pela armadura na ausência de excitação da bobina, chamada magnetismo residual. Primeiro, verifique se a desconexão de três fases, o motor síncromo e o motor DC estão desligados. Em seguida, conecte um pequeno pedaço de fita ao rotor externo do motor DC. Depois de verificar se a variação está definida para zero por cento, ligue o variac para a tomada de três fases. Em seguida, conecte a configuração como mostrado. Em seguida, verifique se o interruptor de execução inicial está na posição inicial. Após os ajustes na variária, confirme que todas as conexões estão livres dos terminais de abastecimento. Só então, ligue o interruptor de desconexão de três fases. Em seguida, ligue a fonte de alimentação DC de alta tensão, pressione o botão vi para exibir a corrente de extremidade de operação e ajuste o botão de tensão para 125 volts. Não pressione o botão de partida antes de ajustar o botão de tensão. Pressione o botão de partida do painel de alimentação DC e ligue o equipamento. Em seguida, aumente lentamente a saída variada até que a tensão do terminal leia 120 volts. Quando o motor síncrona atingir uma velocidade de rotação de estado constante, gire o interruptor de corrida de partida para funcionar. Preste atenção às mudanças de som da máquina. O som da máquina torna-se monótono em estado estável. Use a luz estroboscópica para congelar o movimento do motor sincronizando a taxa de estroboscópico à velocidade de rotação do motor. A fita anexada ao rotor aparecerá estacionária quando a luz estroboscópica estiver sincronizada. Confirme que essa taxa é a velocidade do motor aumentando lentamente a taxa de estroboscópicos para sincronizar o ventilador na próxima taxa mais alta. Se correto, este será o dobro da primeira taxa de sincronização estroboscópica observada. Esta sequência de inicialção será repetida antes de cada teste subsequente. Após a inicialização, registre a velocidade de rotação do motor e a tensão da armadura. Em seguida, use esses dados para calcular a força do campo magnético residual.
As máquinas DC são usadas em uma variedade de aplicações. Uma vez que os parâmetros de operação de diferentes máquinas são caracterizados, eles podem ser escolhidos com base nas especificações de design de um dispositivo específico. O gerador DC pode ser caracterizado em várias configurações, como a configuração do shunt. Com o interruptor S1 aberto, para nenhum teste de carga, os resistores de carga de extremidade de campo são ajustados ao máximo. Em seguida, a velocidade do eixo e a tensão do terminal são registradas como descrito anteriormente. A resistência ao shunt é reduzida em cinco etapas até que a resistência mínima seja atingida. E a tensão terminal e a corrente através do resistor do desvio medido. O motor pode ser medido com cargas simuladas usando resistores de carga, seguindo o mesmo protocolo. Cada tipo de gerador DC tem sua própria saída de corrente de tensão. Os geradores de shunt podem fornecer tensão para uma ampla gama de cargas de corrente, enquanto os geradores de série fornecem tensão crescente com carga corrente. Em uma variedade de aplicações, onde uma fonte de energia sem fio é preferida, como próteses motorizadas, os motores DC são o atuador de escolha. Em próteses de membros inferiores controladas neuralmente, sensores de superfície ou transdérmicos são usados para enviar sinais para articulações motorizadas no membro de substituição, assim como em uma perna intacta. A flexão do portão e do pé são controladas de forma mais natural e intuitiva do que seria possível usando uma substituição rígida do membro.
Você acabou de assistir a introdução de Jove aos motores DC. Agora você deve entender como um motor DC funciona e como caracterizar seus parâmetros. Obrigado por assistir.
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Results
Os enrolamentos de série normalmente carregam alta corrente nominal avaliada na corrente de armadura nominal da máquina, uma vez que tanto as séries quanto os enrolamentos de armadura estão em série. Portanto, espera-se que os enrolamentos da série estejam na ordem de um mΩ a alguns Ω. Os enrolamentos shunt, por outro lado, devem extrair corrente mínima da fonte que os alimenta junto com a armadura da máquina e, portanto, têm grandes valores de resistência de dezenas a centenas ou mesmo milhares de Ω.
O λR residual pode ser estimado medindo a tensão da armadura sem carga. Uma vez que esta condição sem carga, a volta traseira e.m.f. e tensão de armadura são as mesmas, e a parte traseira e.m.f.(EA) é uma função de λR tal que EA=If λRωm onde euf é a corrente de campo e ωm é a velocidade mecânica.
Cada tipo de máquina tem sua própria corrente de tensão ou curva de velocidade de torque. A vantagem dos geradores de shunt é que eles podem fornecer tensão sem ter qualquer carga até a carga total, enquanto os geradores de série são caracterizados por não ser capaz de fornecer qualquer tensão a menos que haja alguma carga.
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Applications and Summary
As máquinas DC são significativamente menos comuns do que costumavam ser antes da invenção da indução de AC e máquinas síncrogas. Eles permanecem comuns em aplicações simples de baixa potência, como brinquedos, pequenos robôs e equipamentos legados. As máquinas permanentes de ímã DC, que usam abundantes ímãs não-raras, são mais comuns do que suas peças de shunt e contador de séries devido à excitação mais simples, especialmente em aplicações de baixo custo e baixa complexidade.
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