Medidas em Sistemas Eléctricos Monofásicos e Trifásicos

Transcrição

1 FEUP - DEEC - LEEC MÁQUINAS ELÉCTRICAS I (T) (2º.Semestre) Trabalho de Laboratório MED-1 Medidas em Sistemas Eléctricos Monofásicos e Trifásicos Demonstração Funcionamento em Vazio de um Transformador NOTAS IMPORTANTES: 1. Como preparação para a realização do trabalho laboratorial, cada Grupo de Trabalho deve, previamente: Fazer a leitura cuidada do correspondente Guia. Obter, nomeadamente através da consulta dos elementos de estudo fornecidos no âmbito da disciplina de Máquinas Eléctricas I/T, os conhecimentos teóricos relativos às matérias abordadas. Definir os esquemas das montagem necessárias nas diversas fases do trabalho, que devem vir esquematizados para a aula. 2. Durante a realização do trabalho, cada Grupo de Trabalho deve: Identificar e caracterizar todo o equipamento e aparelhagem de medida a utilizar. Executar as montagens previstas ou proceder ao levantamento e esquematização das montagens já existentes. Solicitar ao docente a verificação de todas as montagens realizadas. Realizar as experiências em causa e anotar na Folha de Ensaio todos os elementos de informação necessários à interpretação dos resultados e ao seu tratamento posterior. No final da aula, entregar ao docente a Folha de Ensaio preenchida e assinada por todos os membros presentes. (Nota: Posteriormente, será entregue uma fotocópia dessa folha aos alunos para que possam analisar e tratar os resultados do ensaio realizado). 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho laboratorial será composto por duas partes: uma, a executar pelos alunos, que envolve a realização de medidas em sistemas eléctricos monofásicos e trifásicos e outra, de demonstração, conduzida pelo docente, que incide sobre o funcionamento em vazio de um transformador eléctrico trifásico 1. 1 Ambas estão previstas para uma duração de cerca de 50 minutos. ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 1 de 10

2 Sobre cada um destes aspectos far-se-á, de seguida, um conjunto de considerações que pretendem esclarecer os objectivos do trabalho Medidas em sistemas eléctricos monofásicos e trifásicos A medida de grandezas eléctricas em sistemas eléctricos de energia, em particular nas máquinas eléctricas, é necessária em múltiplas operações, nomeadamente, de teste, controlo, vigilância e inspecção. Sendo várias as grandezas eléctricas que podem medir-se e que caracterizam o funcionamento dos referidos sistemas, dependendo da natureza dos mesmos (sistemas de corrente contínua, sistemas de corrente alternada monofásica, trifásica, etc.), merecem destaque particular algumas ou a totalidade das seguintes: tensão eléctrica (valor eficaz - U), intensidade de corrente eléctrica (valor eficaz - I), factor de potência (cosj ou l), potência aparente (S), activa (P) e reactiva (Q), e frequência (f). Associadas a um período de tempo, podem acrescentar-se ainda as energias activa (W a ) e reactiva (W r ). No que se refere à tensão e à corrente eléctricas, são ainda de grande importância as respectivas formas de onda, que evidenciam as suas variações no tempo, valores de pico e períodos. Como características de um dado sistema, circuito ou componente e em regime alternado sinusoidal, pode ainda falar-se na impedância (Z) e respectivas componentes óhmica (Resistência R) e reactiva (reactância - X). Esta última pode possuir natureza indutiva (X L ) ou capacitiva (X C ), com valor que depende da frequência a que se associa (X L =2pfL; L-indutância ou X C =1/2pfC; C=capacidade eléctrica). A determinação dos valores de todas estas grandezas, relativos a uma certa situação, exige técnicas e montagens e recorre a aparelhagem de medida apropriadas estudadas em diferentes disciplinas da LEEC e, muitas delas, já frequentemente praticadas nas aulas do curso. Também a sua indicação carece de uma unidade de medida adequada. Adicionalmente e no caso de sistemas de corrente alternada, aquela determinação pode incidir sobre grandezas sinusoidais ou não sinusoidais (com conteúdo harmónico), exigindo, as últimas, processos e aparelhagem especiais. Antes de passarmos à fixação dos objectivos do presente trabalho de laboratório, na tabela da página seguinte listam-se as grandezas acima assinaladas, bem como os correspondentes símbolos usados para a sua representação, unidade e aparelho para a sua medida, quando aplicável. Nos casos em que a grandeza é calculada ou calculável a partir de outras, indicar-se-á a expressão que permite realizar esse cálculo para sistemas de corrente alternada sinusoidal. Referindo a existência de aparelhagem analógica (muito frequente) ou digital, salienta-se, também, que podem ser encontrados muitos aparelhos que integram várias funções de medida, como são os casos dos multímetros e de vários analisadores de potência ou de energia. Ainda no contexto dos processos de medida, merece destaque especial a medida de potência e energia em sistemas monofásicos e trifásicos de corrente alternada sinusoidal. Sendo certo que o assunto é estudado noutra disciplina da LEEC, resume-se, de seguida, o que de essencial se refere à questão. ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 2 de 10

3 Tabela 1 - Principais grandezas eléctricas associadas ao funcionamento de máquinas eléctricas Nome Símbolo (*) Unidade de medida Aparelho de medida Tensão eléctrica U V volt Voltímetro (**) (valor eficaz) Intensidade de corrente I A ampere Amperímetro (**) (valor eficaz) Factor de potência cosϕ; λ Adimensional Fasímetro cosϕ = P/S Potência aparente S VA volt-ampere S = U.I ou S = 3.U.I Potência activa P W watt Wattímetro P = S.cosϕ Potência reactiva Q Var volt-ampere reactivo Varímetro Q = S.senϕ Frequência f Hz hertz ou s -1 Frequencímetro F = 1/T Período T S segundo Osciloscópio T = 1/f Velocidade angular ω rad/s radiano por segundo ω = 2πf Energia activa W a Wh watt-hora Contador de energia activa Energia reactiva W r Varh volt-ampere reactivo hora Contador de energia reactiva Impedância Z Ω - ohm Mét. voltímetro-amperímetro Z = U/I Resistência R Ω - ohm Ohmímetro Pontes de medida (**) Reactância indutiva X L Ω - ohm X L = (Z 2 - R 2 ) 1/2 - X C X L =2πfL Reactância capacitiva X C Ω - ohm X C = (Z 2 - R 2 ) 1/2 - X L X C = 1/(2πfC) Indutância L H henry Ponte de medida L = X L /(2πf) Capacidade C F farad Ponte de medida (**) C = 1/(2πfX C ) (*) Note-se que, quando se trata de grandezas fasoriais, o símbolo deve receber um traço por baixo (sublinhado), como em U, I ou Z. É frequente também o uso de símbolos em negrito. (**) Em certas circunstâncias, pode usar-se um multímetro Medida de potência em sistemas monofásicos A potência activa (P) será medida com recurso a um wattímetro. A bobina amperimétrica do aparelho será ligada habitualmente na fase e a bobina voltimétrica entre fase e neutro. Com recurso à medida da tensão (U) fase-neutro (voltímetro) e da intensidade de corrente (I) na linha (amperímetro), pode calcular-se a potência aparente (S) e, na sequência, a potência reactiva: S = U.I ; Q = (S 2 -P 2 ) 1/2. ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 3 de 10

4 Medida de potência em sistemas trifásicos de quatro fios: 3 fases c/ neutro Neste caso, se o sistema for simétrico 2, para a determinação da potência activa total é suficiente o uso de um wattímetro, montado com a bobina amperimétrica inserida numa qualquer fase e a voltimétrica entre essa fase e o neutro. O aparelho medirá a potência por fase (P f ) e a potência activa total do sistema será tripla desta: P = 3.P f. A medida da tensão simples, com recurso a um voltímetro, e da intensidade de corrente numa qualquer fase, através de um amperímetro, permite o cálculo das potências aparente e reactiva totais. A potência aparente do sistema será tripla da de cada fase: S = 3.U s.i = 3.U.I A potência reactiva será calculada com base nas anteriores: Q = (S 2 -P 2 ) 1/2. Se o sistema for desequilibrado, para determinação da potência activa total terão de usar-se três wattímetros montados como o anterior, um para cada fase, e adicionar as indicações de todos eles: P=P f1 +P f2 +P f3. A potência aparente total do sistema será igual à soma das potências aparentes das fases, cuja determinação exigirá a medida de todas as tensões simples (três voltímetros) e das intensidades de corrente nas três fases (três amperímetros). Finalmente, poder-se-á calcular a potência reactiva total como antes, a partir das anteriores. Faz-se notar que não se considerou alguma eventual distorção harmónica existente nas tensões e/ou correntes, a qual exigirá atenções especiais. Salienta-se ainda que existem aparelhos trifásicos para medida de potência activa (wattímetros trifásicos) que adoptam um funcionamento e esquemas de ligação inspirados nos que se acabaram de apresentar Medida de potência em sistemas trifásicos de três fios: 3 fases s/ neutro Neste caso, a solução tradicional consiste em usar o chamado método dos dois wattímetros. Como o seu nome indica, este método usa só dois daqueles aparelhos e é válido ainda que o sistema seja assimétrico quer ao nível de tensões quer de correntes. A montagem dos aparelhos segue um esquema em que as bobinas amperimétricas dos aparelhos são inseridas em duas fases escolhidas ao acaso e as correspondentes bobinas voltimétricas são ligadas, cada uma, entre a fase em que se inseriu a bobina amperimétrica do respectivo aparelho e a terceira fase, designada de fase comum. Como aspecto relevante dessa montagem, destaque-se que, em função da natureza (capacitiva ou indutiva) e do valor do factor de potência em jogo, os aparelhos podem apresentar deflexões de ponteiro (ou indicações digitais) de sinais contrários. Por isso e a fim de se interpretar correctamente o sinal das leituras efectuadas em cada aparelho, estes devem ser ligados de forma homóloga, isto é, realizando ligações homólogas de terminais também homólogos. As leituras em ambos os aparelhos (P 1 e P 2 ), afectadas do correspondente sinal, permitem o cálculo da potência activa total: P = P 1 +P 2 2 Um sistema de grandezas alternadas sinusoidais diz-se simétrico se elas se encontrarem desfasadas igualmente entre si e possuírem iguais valores eficazes. No caso presente, de um sistema trifásico de tensões e correntes, a simetria aplica-se tanto a umas como a outras e os desfasamentos entre tensões, bem como entre correntes, serão de 120. ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 4 de 10

5 Finalmente, se o sistema for simétrico, ainda se pode calcular a potência reactiva com base na leitura dos dois wattímetros através da expressão: Q = 3.(P 1 -P 2 ) Medida de energia em sistemas trifásicos A medida de energia nestes sistemas atende à existência ou não de condutor de neutro e à simetria dos sistemas, como acontecia com a medida de potência. Os contadores de energia, realizando a integração da potência, terão exigências e serão montados de formas idênticas aquelas que foram apontadas para os wattímetros nos pontos anteriores. Apesar disso, para medida de potência trifásica não é habitual encontrarem-se esquemas de medida baseados em aparelhos monofásicos. É normal o uso, sim, de aparelhos trifásicos Funcionamento em vazio de um transformador Diz-se que um transformador eléctrico funciona em vazio quando, encontrando-se normalmente alimentado, o seu secundário se encontrar em circuito aberto. No estudo deste modo particular de funcionamento, entre outros aspectos igualmente significativos e que incluem, por exemplo, a razão de transformação do transformador, possui especial importância a análise da corrente absorvida pela máquina, designada de corrente em vazio. Esta corrente, que se destina a criar o campo magnético da máquina e a alimentar as perdas no ferro e as (muito pequenas) perdas de Joule no enrolamento primário originadas pela circulação dessa mesma corrente, pode decompor-se em duas componentes: uma associada às referidas perdas de Joule e à parte das perdas no ferro devidas a correntes de Foucault (as quais, em última análise, também têm natureza Joule) e outra que se relaciona com a criação do campo magnético da máquina. Se a primeira daquelas componentes é sinusoidal e está em fase com a tensão de alimentação (repare-se que é uma corrente destinada a alimentar perdas por efeito de Joule e corresponde a uma componente activa da corrente), já a segunda, que é responsável pela criação da f.m.m. criadora do campo magnético, não pode ser sinusoidal nem estar em fase com a tensão de alimentação. A razão para tal prende-se com o facto de o fluxo magnético ser (muito aproximadamente) sinusoidal desde que a tensão de alimentação também o seja, como acontece nos casos em consideração. Como a relação entre esse fluxo e a corrente referida (que o cria) é não linear e é afectada de histerese (o conhecido ciclo histerético), para que o primeiro seja sinusoidal a segunda não o poderá ser, forçosamente. Assim, a corrente em vazio, possuindo esta segunda componente (que é, aliás, a dominante), não será também sinusoidal. É o que se pode constatar experimentalmente recorrendo a um registo oscilográfico da sua forma de onda, como se fará na aula. Como se poderá observar também na aula, através de um analisador de espectros, esta corrente é caracterizada por possuir, além de um termo fundamental dominante, termos harmónicos ímpares dos quais se destaca o de 3ª. ordem. Significa isto que os transformadores eléctricos podem ser responsáveis pela injecção de termos harmónicos de corrente na rede eléctrica, para montante dos pontos onde se insiram. Apesar disso, atendendo à circunstância de a corrente em vazio dos transformadores de potência ser de ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 5 de 10

6 pequena amplitude quando comparada com as habituais correntes de carga com que os mesmos funcionam, essa influência indesejável é, habitualmente, desprezável ou tolerável 3. Ainda assim, haverá que ter em conta que, em consequência da variação não linear do estado de saturação do circuito magnético, a distorção harmónica da corrente em vazio de um transformador será muito agravada com o aumento do valor da tensão de alimentação desde que esse aumento provoque saturação (este aspecto também será objecto de análise na aula). Isto alerta para a necessidade do projecto de transformadores ser realizado com induções máximas de trabalho no circuito magnético, em regime normal, razoáveis e para o inconveniente em ser excedido o valor nominal da tensão de alimentação de um transformador. 2. OBJECTIVOS DO TRABALHO Com o presente trabalho, pretendem-se alcançar dois objectivos imediatos: a) Permitir aos alunos a prática da medida de grandezas eléctricas em sistemas de corrente alternada sinusoidais monofásicos e trifásicos em distintas situações de factor de potência e de cargas, e o uso da correspondente aparelhagem de medida disponível nos Laboratórios de Máquinas Eléctricas. Este objectivo corresponde à parte a executar pelos alunos durante a aula seguindo os procedimentos que se indicam mais abaixo. b) Analisar experimentalmente o funcionamento em vazio de um transformador eléctrico trifásico e contactar com um conjunto de equipamentos complementar àqueles a utilizar no âmbito do objectivo anterior. O presente objectivo corresponde à parte de demonstração a conduzir pelo docente. Como objectivo complementar, pretende-se também proporcionar aos alunos um conjunto de elementos de observação experimental e de medida que possam servir de motivo de reflexão por parte dos mesmos em período extra-aula. Para o efeito, mais adiante (Ponto 5) dar-se-ão sugestões nesse sentido. 3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS A UTILIZAR Além dos sistemas de alimentação e de um conjunto de materiais diverso, serão utilizados os seguintes equipamentos no âmbito do primeiro objectivo enunciado: 3 Cargas óhmicas, indutivas e capacitivas, trifásicas, variáveis, com possibilidade de utilização em monofásico. Estas cargas supõem-se simétricas e equilibradas! Autotransformador trifásico. Apesar disso, o termo de tripla frequência (principalmente) pode interferir com sistemas de telecomunicações que se situem na vizinhança dos circuitos de alimentação dos transformadores, sobretudo quando se trata de transformações trifásicas com ligação de neutro. Ainda nestes casos, isto é, em transformadores trifásicos ou bancos de transformadores monofásicos, estes termos harmónicos podem ser responsáveis pela chamada flutuação do potencial do neutro, com perturbação ao nível das tensões simples secundárias que virão diferentes dos valores convencionais. É o que acontece com a ligação Yy, que exige cuidados especiais. ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 6 de 10

7 Aparelhagem para medida de tensão, corrente e potência em sistemas monofásicos e trifásicos diversa, incluindo um multímetro munido de pinça amperimétrica. No âmbito da demonstração, acrescentam-se os seguinte equipamentos principais: Transformador eléctrico trifásico de colunas, tipo seco. Transdutor de corrente por efeito Hall (LEM). Transformador de tensão. 2 osciloscópios digitais. Analisador de potência. Analisador de espectros. Multímetro e outra aparelhagem de medida de corrente e de tensão. 4. PROCEDIMENTOS PREPARATÓRIOS E EXPERIMENTAIS No seguimento, serão dadas indicações unicamente em relação à parte do trabalho a desenvolver pelos alunos durante a aula. Chama-se a atenção para a existência, no final deste guião, de um modelo de Folha de Ensaio que deve ser preenchida durante o trabalho experimental Observações Importantes A alimentação das cargas será sempre realizada através do autotransformador trifásico, o qual, antes de ser alimentado a partir da bancada, deverá estar regulado para aposição 0. Em nenhum caso se deverá exceder a corrente nominal no autotransformador nem em nenhuma das cargas! Durante as experiências, a tensão secundária do autotransformador deve ser vigiada por forma manter-se nos 380V, 50 Hz Procedimentos Identificar o autotransformador, a aparelhagem de medida disponível e as cargas. Registar as características do autotransformador. Ajustar as cargas para as respectivas posições de potência máxima e, com recurso a um multímetro, medir a resistência entre pares de terminais de cada uma. No caso das cargas óhmica e indutiva, medir também a resistência entre cada uma das fases e o neutro (terminal vermelho). Registar valores na Folha de Ensaio. Ligar directamente o primário do autotransformador à bancada trifásica 380V, 50Hz, mantendo esta desligada. Incluir a ligação do neutro! ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 7 de 10

8 Realizar uma montagem que permita a alimentação das cargas óhmica, indutiva e capacitiva, em paralelo, a partir do secundário do autotransformador, bem como a medida da sua tensão de alimentação (composta) e da intensidade de corrente e da potência activa totais que absorvem. Não ligar o neutro das cargas e manter a cargas na posição de circuito aberto! Registar os calibres da diferente aparelhagem de medida e o factor multiplicativo dos wattímetros. Ligar a alimentação do autotransformador e ajustar a sua tensão secundária para 380V. Ligar, à vez, cada uma das cargas e, por actuação nas mesmas, ajustar para a máxima potência. Para cada carga, registar os valores das leituras do Amperímetro, do Voltímetro e dos Wattímetros na Folha de Ensaio. Utilizar a pinça amperimétrica para confirmar os valores da intensidade de corrente nas diferentes fases. Agora, ligando a carga óhmica e, à vez, em paralelo com ela, a carga indutiva e a carga capacitiva, proceder como nos pontos anteriores e, com recurso à pinça amperimétrica, medir e registar ainda as correntes individuais absorvidas por cada carga (Obs.: Ajustar as cargas para as suas posições de potência máxima). Proceder ainda como antes, mas ligando as três cargas em paralelo. Desligar e desmontar. Arrumar a bancada de trabalho. Entregar um exemplar da Folha de Ensaios devidamente assinada e datada ao docente. 5. SUGESTÕES PARA TRABALHO EXTRA-AULA Como trabalho a desenvolver por cada aluno depois da aula, com vista à análise e tratamento dos resultados obtidos experimentalmente, sugere-se o seguinte: Determinar as impedâncias das várias cargas nas circunstâncias testadas individualmente. Calcular as potências activas, reactivas e aparentes (globais e de cada carga) postas em jogo em cada experiência, bem como dos factores de potência associados. No caso do funcionamento com duas ou três cargas alimentadas em paralelo, justificar os valores da corrente total medida em função dos valores, também medidos, da corrente em cada carga. Realizar diagramas fasoriais associados a cada uma das situações experimentadas, onde se representem a tensão de alimentação simples (por fase) e as correntes secundária do autotranformador e absorvidas pelas cargas (notar que, sendo as cargas equilibradas, basta realizar estes diagramas para uma fase). ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 8 de 10

9 Trabalho Laboratorial 1 Folha de Ensaio Turma: Grupo: Data: / / Assinaturas: 1. Identificação do autotransformador utilizado e montagem: Autotransformador: S n : kva; f n = Hz; U 1n V; U 2 = V Esquema de montagem: Anotações: ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 9 de 10

10 Resultados do ensaio: Aparelhagem de medida: Aparelho Calibre(s) usado(s) Classe de precisão Factor multiplicativo Medidas de resistência: CARGA R UV R VW R UW R UN R VN R WN Óhmica Indutiva Capacitiva Resultados dos ensaios em carga: Tipo de CARGA Óhmica U (V) I t (A) I R (A) I X (A) I C (A) W1 (div) W2 (div) P (W) Indutiva Capacitiva Óhmica//Indutiva Óhmica//Capacitiva Óhmica//Indutiva//Capacitiva Anotações: ME1(T) Trabalho laboratorial MED-1 AFC. Página 10 de 10