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Motor DC- Potência e Rendimento 1/20 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto MOTOR DC Potência e Rendimento Projeto FEUP 1º ano- MIEEC : Manuel Firmino Torres José Carlos Alves Sara Maria Ferreira José Nuno Fidalgo 1MIEEC10_2: Supervisor: Hélio Mendonça Monitor: Artur Antunes Estudantes & Autores: Gonçalo Ferreira Duarte- [email protected] Pedro Gil Freitas- [email protected] José Duarte Ferreira- [email protected] Samuel Aguiar Pereira- [email protected] Luís Maria Machado- [email protected]

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Motor DC- Potência e Rendimento 1/20

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

MOTOR DC

Potência e Rendimento

Projeto FEUP 1º ano- MIEEC :

Manuel Firmino Torres José Carlos Alves

Sara Maria Ferreira José Nuno Fidalgo

1MIEEC10_2:

Supervisor: Hélio Mendonça Monitor: Artur Antunes

Estudantes & Autores:

Gonçalo Ferreira Duarte- [email protected] Pedro Gil Freitas- [email protected]

José Duarte Ferreira- [email protected] Samuel Aguiar Pereira- [email protected]

Luís Maria Machado- [email protected]

Motor DC- Potência e Rendimento 2/20

Resumo

No âmbito da disciplina do Projeto FEUP, projeto organizado e

desenvolvido com o objetivo de desenvolver as capacidades de

realização e apresentação de trabalhos por parte dos alunos do 1º ano

matriculados na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, foi

realizado este relatório com o objetivo de:

Esclarecer o leitor sobre o modo de funcionamento de Motores

DC;

Esclarecer sobre as diferentes grandezas associadas à corrente, e

a relação entre elas;

Calcular, através de diferentes medições associadas à

experiência, a potência fornecida pela fonte bem como a potência

do motor

Calcular o rendimento do motor através da relação entre as duas

grandezas referidas no ponto anterior;

Verificar quais as condições que permitem obter um rendimento

máximo;

O grupo, efetuando várias medições associadas a uma experiência

envolvendo um motor DC, foi capaz de calcular o rendimento desse motor

para diferentes condições. A partir dessas medições e cálculos foi

elaborada uma tabela e respetivo gráfico, o que permitiu chegar ás

conclusões obtidas.

Motor DC- Potência e Rendimento 3/20

Palavras-Chave

Motor DC;

Corrente Elétrica;

Lei de Ohm;

Resistência;

Tensão da Corrente;

Intensidade da Corrente;

Campo Magnético;

Potência Mecânica;

Potência Elétrica;

Velocidade Angular;

Rendimento;

Multímetro.

Motor DC- Potência e Rendimento 2/20

Agradecimentos

O grupo não pode deixar de agradecer ao supervisor da turma Hélio

Mendonça bem como ao monitor Artur Antunes, pela ajuda e

acompanhamento prestados, o que permitiu uma mais fácil compreensão

do tema abordado e execução das atividades.

O Projeto FEUP marcou as nossas primeiras impressões da

faculdade, bem como nos permitiu criar as primeiras relações com os

colegas da turma. Por isso este projeto irá para sempre marcar o nosso

percurso académico, pois ficará na nossa memória como o momento em

que entramos e interagimos com o mundo académico.

Os nossos agradecimentos,

Gonçalo Duarte

José Ferreira

Luís Machado

Pedro Freitas

Samuel Pereira

Motor DC- Potência e Rendimento 3/20

Índice

Lista de Figuras

Lista de Acrónimos

1. Introdução

2. Motor DC

2.1 Funcionamento de um Motor DC

2.1.1 Uso do Motor DC

2.1.2 Campo Magnético

3. Lei de Ohm

3.1 Resistência Elétrica

3.2 Corrente Elétrica

3.2.1 Tensão/Diferença de Potencial

3.2.2 Intensidade da Corrente

4. Potência e Rendimento de um Motor DC

4.1 Potência (P) e Rendimento (η): o que são?

4.1.1 Potência

4.1.2 Rendimento

5. Análise da atividade experimental

5.1 Cálculo do Rendimento

5.2 Atividade experimental

5.2.1 Dados Obtidos

5.2.2 Análise dos Dados

6. Conclusões

Referências Bibliográficas

Motor DC- Potência e Rendimento 4/20

Lista de Figuras

Figura 1- Funcionamento de um motor DC 9

Figura 2- Motor DC usado na indústria 9

Figura 3- Campo Magnético à volta de um íman 10

Figura 4- Sentido da Corrente Elétrica 12

Figura 5- Imagem do Circuito Montado 16

Figura 6- Esquema Representativo do Peso e da Força Exercida 16

Figura 7- Esquema do Circuito Montado 16

Figura 8- Programa MotorBench 17

Motor DC- Potência e Rendimento 5/20

Lista de acrónimos

DC- direct current;

DDP- diferença de potencial;

Motor DC- Potência e Rendimento 6/20

1. Introdução

No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, o grupo realizou um

trabalho relacionado com a potência e rendimento de um motor de

corrente contínua (ou corrente direta). Sendo alunos do curso de

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores foi nos atribuído este tema

pois está relacionado com muitos dos conteúdos que serão abordados ao

longo do curso.

Os motores de corrente contínua são extremamente versáteis, e são

utilizados em diversas aplicações, possuindo “uma grande parcela do

mercado de motores elétricos”, destacando-se o uso destes motores em:

máquinas-ferramentas em geral, máquinas têxteis, guinchos e

guindastes, veículos de tração, indústria química ou fornos e exaustores.

Como já foi referido, estes motores são motores elétricos, isto é, são

capazes de transformar a energia elétrica que lhes é fornecida em energia

mecânica. No entanto, nem toda a energia elétrica fornecida é

transformada em energia mecânica, sendo que alguma dessa energia

fornecida é perdida, o que faz com que o rendimento desses motores seja

menor que 100%. Com este projeto pretendemos calcular o rendimento

de um motor DC para diferentes condições de potência (ou energia)

fornecida e diferentes condições de peso.

Motor DC- Potência e Rendimento 7/20

2. Motor DC

“O ano de 1886 pode ser considerado como o ano de nascimento da

máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner von

Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua autoinduzido.

Entretanto, esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos, foi

o último estágio de estudos, pesquisas e invenções de muitos outros

cientistas, durante quase três séculos.”

2.1 Funcionamento de um motor DC

O motor DC é um motor elétrico que tem como objetivo transformar a

energia elétrica que lhe é fornecida em energia mecânica.

O funcionamento do motor DC tem como base o fenómeno de atração

e repulsão dos pólos de um íman, o fluxo magnético e a indução da

tensão elétrica.

Basicamente, é colocada uma bobina num fluxo magnético e quando

a mesma sofre indução de tensão elétrica roda sobre si mesma. Logo

após esta rotação o inversor localizado nas extremidades da espira

alterna a direção da tensão elétrica que consequentemente repete a ação

de atração do campo eletromagnético da bobina com o campo magnético

do íman fixo. Este processo repete-se continuamente gerando uma

rotação contínua no eixo da bobina.

Este funcionamento tem como objetivo transformar a energia elétrica

que lhes é fornecida em energia mecânica, como nos mostra a figura 1.

Motor DC- Potência e Rendimento 8/20

Figura 1.

2.1.1 Uso do Motor DC

O motor DC, sendo extremamente versátil, pode ser usado tanto nas

mais simples aplicações como nas mais complexas, ao nível de fábricas

e indústria.

Figura 2- exemplo de motor DC usado na indústria

Motor DC- Potência e Rendimento 9/20

2.1.2 Campo Magnético

O que é: o campo magnético é uma região à volta de um íman onde

ocorrem as chamadas interações magnéticas, sendo que o pólo sul está

sempre atraído para o pólo norte e vice-versa.

São estas interações e atrações que fazem com que o motor rode e

funcione.

Figura 3

Motor DC- Potência e Rendimento 10/20

3. Lei de Ohm

Numa fase inicial da realização da experiência, foi primeiro abordada a

lei de Ohm, em homenagem ao físico que formulou a lei, Georg Simon

Ohm. O físico, através das suas experiências, constatou que “mantendo-

se a temperatura de uma resistência constante, a diferença de potencial

aplicada nos seus extremos é diretamente proporcional à intensidade da

corrente elétrica”, obtendo a seguinte equação:

𝑅 =𝑈

𝐼

Lei de Ohm.

Para melhor entender a lei, analisamos cada uma das grandezas envolvidas.

3.1 Resistência Elétrica (R)

A corrente elétrica é um fluxo de eletrões que se move ao longo

de um certo material. Ao movimentarem-se, os eletrões estão em

constante choque com os átomos do material condutor. Estas

colisões dificultam a passagem dos eletrões.

A resistência é uma grandeza elétrica relacionada com a menor

ou maior oposição que os materiais oferecem à passagem da

corrente elétrica. No SI a unidade usada para esta grandeza é

o ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm.

A resistência pode ser medida de forma direta e indireta. Por um

lado podemos medir a resistência diretamente utilizando um

Motor DC- Potência e Rendimento 11/20

ohmímetro ou um multímetro. Por outro podemos medir a resistência

a partir da Intensidade e da Tensão da corrente aplicando a primeira

lei de Ohm.

Há materiais bom condutores, que oferecem uma pequena

resistência à passagem dos eletrões, e materiais mau condutores

também chamados isoladores que oferecem uma grande

resistência à passagem dos eletrões. Ao mesmo tempo o

comprimento do condutor e a sua espessura são fatores que

também podem afetar a sua resistência.

3.2 Corrente Elétrica

Denomina-se como corrente elétrica o fluxo de partículas portadoras

de carga elétrica, que se movimentam ordenadamente e num

determinado sentido.

A corrente elétrica apresenta dois sentidos: o convencional e o real.

O sentido real refere-se ao movimento dos eletrões do polo negativo

para o polo positivo, enquanto que o convencional diz respeito ao

sentido que os físicos atribuíram, originalmente, à corrente elétrica.

Figura 4

Motor DC- Potência e Rendimento 12/20

3.2.1 Tensão/ Diferença de Potencial (U)

A tensão elétrica (U), é a diferença de potencial elétrico entre dois

pontos, ou seja, é a quantidade de energia gerada para movimentar

uma carga elétrica.

A unidade de medida da tensão elétrica é o volt (V).

3.2.2 Intensidade da corrente (I)

Define-se como intensidade da corrente elétrica a razão entre a

quantidade de carga que atravessa uma secção transversal (corte feito

ao longo da menor dimensão de um corpo) do condutor e o intervalo de

tempo.

𝐼 =𝛥𝑄

𝛥𝑡

A unidade de medida da intensidade (I) é o ampere (A).

1𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 =1 𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

1 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜

Quanto maior for a tensão maior será a intensidade.

Motor DC- Potência e Rendimento 13/20

4. Potência e Rendimento de um Motor DC

4.1 Potência (P) e Rendimento (η): o que são?

4.1.1 Potência

A potência pode se definir como a energia fornecida por unidade de

tempo (J/s)

𝑃 =𝐸

∆𝑡

Tem como unidades de medida o Watt podendo-se também utilizar

no cálculo de potências do motor a unidade CV.

É uma das grandezas utilizadas no cálculo do rendimento.

4.1.2 Rendimento

Sempre que uma máquina realiza o seu trabalho parte da energia que

lhe é fornecida não é utilizada para que ela faça a sua função (energia

útil) mas é sim dissipada devido ao atrito por exemplo ou até mesmo a

falhas que o seu sistema possa vir a sofrer. Assim podemos chegar à

conclusão que o rendimento é obtido através da relação da potência

fornecida com a potência útil, aquela que foi mesmo utilizada para que a

máquina realizasse o seu trabalho. Ficámos com a seguinte expressão:

𝜂 =𝑃𝑢

𝑃𝑓

Onde a potência fornecida é igual à soma da potência útil com a

potência dissipada.

Uma vez que o rendimento é obtido pelo quociente entre duas

grandezas com a mesma unidade este não vai possuir unidade, aquilo a

que chamamos de uma grandeza adimensional.

Motor DC- Potência e Rendimento 14/20

O valor obtido do rendimento através da expressão vai se encontrar

sempre entre zero e um uma vez q a potência útil nunca vai ser maior que

a potência fornecida. Geralmente, é comum representar o valor do

rendimento em percentagem pelo que se multiplica a expressão por 100.

Diferentes máquinas a realizar o mesmo trabalho nas mesmas

condições geralmente resultam em valores de rendimento diferentes.

Tendo uma máquina A que possui um rendimento superior a outra

máquina B podemos concluir que a máquina A, nas mesmas condições,

desperdiça uma menor quantidade de energia do que a máquina B,

enquanto ambas realizam o mesmo trabalho.

5. Análise da atividade experimental

5.1 Cálculo do rendimento

Como já foi referido, o rendimento calcula-se através do quociente

entre a potência útil e a potência fornecida. Neste caso, como se trata do

rendimento de um motor DC, que transforma a energia elétrica fornecida

em energia mecânica, podemos afirmar que a potência fornecida equivale

à potência elétrica e a potência útil equivale à potência mecânica.

A potência elétrica fornecida equivale ao produto da tensão fornecida

com a intensidade da corrente:

𝑃𝑒 = 𝑈 ∗ 𝐼

Já a potência mecânica pode ser representada sob a forma de trabalho

𝑊 = 𝐹 ∗ 𝑑 ∗ cos (𝛼)

Sendo que a força equivale à força gravítica(𝐹𝑔 = 𝑚 ∗ 𝑔), o

deslocamento calcula-se através do produto entre o raio da roldana e a

velocidade angular(𝜋/𝑠) (𝑑 = 𝑟 ∗ 𝑤), e o ângulo equivale a 0º.

Motor DC- Potência e Rendimento 15/20

Assim, obtém-se para a potência mecânica a expressão:

𝑃𝑚 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑟 ∗ 𝜔 ∗ cos (0)

Substituindo na expressão para o valor do rendimento, este pode ser

calculado através da fórmula:

𝜂 =𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑟 ∗ 𝜔

𝑈 ∗ 𝐼

5.2 Atividade experimental

A experiência consiste num motor que irá elevar uma determinada

massa. É fornecida uma tensão (6V) ao motor, onde parte será usada

para elevar essa massa até uma determinada altura.

Para ser possível calcular o valor do rendimento, é necessário então

obter os valores de potência elétrica fornecidos ao motor e também os

valores da potência mecânica que o motor usa para levantar a massa.

Para isso, foi montada a seguinte experiência:

Motor DC- Potência e Rendimento 16/20

Para a realização desta atividade experimental foi utilizado o programa

MotorBench, estando o motor ligado ao computador, este programa

permite moderar a tensão fornecida ao mesmo, e também registar os

valores de tensão, intensidade e velocidade angular quando se eleva a

massa.

Figura 5 Figura 6

Figura 7

Motor DC- Potência e Rendimento 17/20

5.2.1 Dados obtidos

Utilizando o programa, foi então possível, para diferentes valores de

massa e para duas tensões variadas ( 50% da tensão fornecida e 83%),

obtiveram-se os valores registados na tabela:

Vm = 50% Vm = 83%

m U I ω R U I ω R

0 2885 178 7069 0 4789 221 12697 0

50 2885 235 6349 11,47 4789 286 11716 10,47

100 2897 286 5825 17,22 4769 340 11126 16,81

150 2885 338 5301 19,97 4749 378 10668 21,83

200 2885 370 4712 21,62 4729 408 10145 25,76

300 2873 464 3796 20,92 4688 502 8967 28,00

400 2849 564 2618 15,96 4668 616 8246 28,10

500 2824 683 1636 10,39 4668 716 7330 26,86

600 4608 794 6283 25,24

700 4548 896 5367 22,58

Figura 8

Tabela 1- Dados obtidos

Motor DC- Potência e Rendimento 18/20

(Para Vm=50%, não foram registados valores para 600 e 700 gramas, pois a tensão não era suficiente

para elevar essas massas)

A partir dos valores da tabela, construiu-se o seguinte gráfico:

5.2.2 Análise dos Dados

Analisando o gráfico, pode-se verificar que, num momento inicial, o

valor do rendimento cresce à medida que se aumenta o valor da massa.

No entanto, este aumento não é continuo, sendo que, para um

determinado valor de massa, o rendimento atinge um ponto máximo, e

diminui a partir desse ponto com o aumento da massa.

Também se pode observar que, para um maior valor de tensão, o valor

da massa para o qual o rendimento atinge o ponto máximo é superior

comparado com o menor valor de tensão.

Gráfico 1- Rendimento em função da massa

Motor DC- Potência e Rendimento 19/20

6. Conclusões

Após a análise dos dados, conclui-se que o rendimento, quer para

Vm=50% quer para Vm=83%, tem valores baixos, sendo os máximos

21,6% e 28,10%, respetivamente.

Os valores do rendimento não crescem de forma contínua com o aumento

da massa. Esses valores crescem inicialmente, até atingirem um

rendimento máximo para um determinado valor de massa. A partir desse

ponto máximo, os valores do rendimento diminuem com o contínuo

aumento da massa que o motor eleva, fazendo o gráfico uma curva

parabólica.

Constata-se por fim, que para valores de maior tensão, atinge-se o

rendimento máximo para maiores valores de massa. Quando Vm=50%,

o ponto máximo verifica-se para 200 gramas enquanto que para

Vm=83%, o ponto máximo verifica-se para um valor entre as 300 e 400

gramas.

Motor DC- Potência e Rendimento 20/20

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