Motor de Indução Trifásico Ensaios Económicos, Constituição, Manobra e Controlo

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1 FEUP - DEEC - LEEC MÁQUINAS ELÉCTRICAS I (T) (2º.Semestre) Trabalho de Laboratório MIT-1 Motor de Indução Trifásico Ensaios Económicos, Constituição, Manobra e Controlo 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 ensaios económicos de um motor de indução trifásico e outra, de demonstração conduzida pelo docente, que incide sobre a constituição, a manobra e o controlo de motores de indução trifásicos 1. Sobre cada um destes aspectos far-se-á de seguida um conjunto de considerações que pretendem esclarecer os objectivos do trabalho. 1 Ambas estão previstas para uma duração de cerca de 50 minutos. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 1 de 9

2 1.1. Ensaios económicos de um motor de indução trifásico A determinação de características de funcionamento de máquinas eléctricas, em particular de motores de indução trifásicos, pode ser realizada através de ensaios directos em carga ou por via indirecta, através de um modelo da máquina 2. Neste caso, depois de conhecida a topologia desse modelo, torna-se necessário estabelecer os valores dos parâmetros que o mesmo contém por forma a poder ser utilizado. Em particular, quando se pretende estudar o funcionamento em regime permanente sinusoidal de um motor de indução trifásico, a topologia habitual desse modelo corresponde ao que se designa circuito equivalente, por fase, referido ao estator, existindo diferentes níveis de simplificação que o mesmo pode apresentar, de que as formas mais habituais correspondem às designações circuito equivalente exacto ou circuito equivalente simplificado. Estes modelos são estudados na disciplina Máquinas Eléctricas I (T), onde se mostra a viabilidade da determinação experimental de todos os parâmetros do circuito equivalente simplificado através de três ensaios: medida da resistência entre fases estatóricas, ensaio em vazio e ensaio com rotor bloqueado e em curto-circuito Medida da resistência entre fases Atendendo ao valor habitualmente baixo das resistências a medir e ao facto de a impedância dos enrolamentos possuir uma componente indutiva importante, a medida da resistência entre fases estatóricas do motor pode ser realizada recorrendo ao método do voltímetro-amperímetro onde a fonte de alimentação, de corrente contínua, pode ser uma vulgar bateria (que garante um valor estabilizado e constante da tensão de alimentação). Pode também recorrer-se a uma ponte de medida de resistências, sendo desaconselhado o recurso a um multímetro, por falta do rigor. Neste ensaio, são medidos os valores das resistências entre os vários pares de terminais estatóricos e a temperatura ambiente, vindo o valor da resistência estatórica, por fase, igual a metade da média aritmética dos três valores medidos, independentemente da ligação real dos enrolamentos estatóricos. O valor assim calculado carece, futuramente, de correcção para a temperatura de referência correspondente à Classe de Isolamento da máquina. Classe de Isolamento Temperaturas referência (T ref ) A E B F H T ref ( C) Existindo múltiplos modelos que se podem estabelecer para cada máquina, que passam por descrições fisico-matemáticas mais ou menos complexas e que implicam sempre a introdução de hipóteses de estudo particulares, no âmbito presente interessa considerar particularmente aqueles que se traduzem por um circuito eléctrico e por um conjunto de relações matemáticas a ele associadas. 3 Os ensaios em vazio e com rotor bloqueado e em curtocircuito designam-se de ensaios económicos porque, durante os mesmos, o motor só absorve energia de perdas. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 2 de 9

3 Ensaio em vazio O ensaio em vazio pode ser realizado de dois modos distintos. Em qualquer dos casos o motor funciona em vazio, isto é, com o seu veio livre. A velocidade de rotação do motor quase atinge a velocidade de sincronismo e a potência activa absorvida é toda ela de perdas, correspondendo, na prática, às perdas Joule no enrolamento estatórico, às perdas no ferro e às perdas mecânicas 4. Os dois modos distinguem-se nas condições de alimentação do motor e nos objectivos que pretendem atingir. No primeiro, o motor é alimentado com tensão e frequência nominais. São registados os valores dessas duas grandezas, da intensidade de corrente e da potência activa absorvidas, e da velocidade de rotação. Este ensaio vai permitir confirmar a velocidade de sincronismo do motor (e o seu número de pólos) e determinar dois parâmetros do modelo simplificado do motor (por fase, referido ao estator): a resistência R 0, associada às perdas do motor em vazio, e a reactância de magnetização X m, que se associa ao campo magnético de indução mútua da máquina e à corrente de magnetização que o cria. Em virtude da impossibilidade de calcular, separadamente, as perdas mecânicas das restantes, o valor do parâmetro R 0 reflecti-las-á (diz-se que as inclui). O segundo modo visa a separação das perdas mecânicas das restantes e é executado alimentando o motor com uma tensão de frequência nominal mas de valor eficaz progressivamente decrescente por escalões, partindo de uma tensão de cerca de 1,25 vezes a nominal. As grandezas medidas, para cada valor de tensão, são a intensidade de corrente e a potência activa absorvidas, bem como a velocidade de rotação. O ensaio terminará quando se verificar que a corrente absorvida começa a crescer ou a velocidade de rotação apresentar variação não desprezável. As perdas mecânicas poderão então ser calculadas do seguinte modo: para cada valor de tensão são calculadas as perdas Joule estatóricas (com base na resistência por fase estatórica antes determinada e na corrente absorvida) e subtraídas à potência de perdas total medida. Na presunção de serem desprezáveis as perdas Joule e magnéticas rotóricas, a parcela remanescente incluirá as perdas mecânicas e as perdas magnéticas para cada valor de tensão. A separação das perdas mecânicas é feita representando essa parcela graficamente em função do valor eficaz da tensão de alimentação ou, em alternativa, do quadrado dessa tensão. A extrapolação para a tensão nula da função assim obtida definirá o valor das perdas mecânicas do motor correspondentes à velocidade de rotação ensaiada 5. Finalmente, será possível quantificar também as perdas magnéticas do motor correspondentes à sua alimentação nominal e calcular o correspondente valor de R 0, que as representará no modelo do motor (e que, naturalmente, não incluirá as perdas 4 Como dito, neste ensaio, a velocidade de rotação quase atinge a velocidade de sincronismo do motor. Em virtude disso, a frequência de variação do campo magnético no rotor é praticamente nula o que implica, por um lado, que as perdas magnéticas na armadura rotórica sejam muito baixas e, por outro, que a corrente rotórica seja desprezável bem como as perdas Joule que a mesma ocasiona. 5 Este processo baseia-se no facto de, aproximadamente, as perdas no ferro do motor variarem quadraticamente com a tensão de alimentação e de as perdas mecânicas se manterem aproximadamente constantes. Por outro lado, o método gráfico pode ser substituído por extrapolação numérica em que a função aproximadora da parcela de perdas referida em função da tensão de alimentação U é da forma p(u)=a+b.u 2, onde A e B são constantes a determinar. As perdas mecânicas, para U=0, virão p mec =A. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 3 de 9

4 mecânicas do motor). O valor da reactância de magnetização X m mantém-se associado à componente magnetizante da corrente absorvida, isto é, à sua componente indutiva Ensaio com rotor bloqueado e em curto-circuito Quanto ao ensaio com rotor bloqueado e em curto-circuito, como o seu nome indica, é feito com o rotor bloqueado por meio de um encravamento mecânico adequado e em curto-circuito 6 O ensaio será realizado alimentando o motor com tensão de valor que leve a que o mesmo absorva a corrente nominal. A frequência será a nominal. Como precaução, deverá elevar-se, gradualmente a tensão de alimentação até ao necessário. São medidos o valor eficaz da tensão de alimentação, a intensidade da corrente absorvida (a nominal, como dito), a potência activa absorvida pelo motor e, ainda, a temperatura ambiente. A partir destes registos e da medida prévia da resistência por fase estatórica, é possível determinar a resistência por fase do rotor referida ao estator bem como a reactância combinada de fugas do motor, por fase, referida também ao estator. Para que os valores dos parâmetros calculados com base no ensaio com rotor bloqueado não venham falseados, deverá garantir-se um ensaio rápido, para que a temperatura no interior do motor possa ser conhecida com exactidão. Se não se puder admitir igual à ambiente, esta pode ser estimada por variação de resistência dos enrolamentos estatóricos recorrendo à expressão: R k + T = R 2 ( T2 ) ( T1 ) k + T1 onde R (T1) e R (T2) são dois valores conhecidos de R, o primeiro correspondente a uma temperatura T 1 conhecida e o segundo a uma temperatura T 2 procurada. A constante k vale 235 para enrolamentos em cobre e 225 se forem em alumínio. Finalmente, recorrendo ainda à expressão anterior, os valores das resistências por fase calculados em e agora deverão ser referidos à temperatura de referência correspondente à Classe de Isolamento da máquina, como já antes se tinha observado. No caso de motores de rotor bobinado, é ainda frequente realizar um ensaio com rotor bloqueado e em circuito aberto com vista à determinação da razão dos números efectivos de espiras do estator e do rotor. Este ensaio, que se assemelha ao ensaio em vazio de um transformador, é realizado com tensão nominal de frequência nominal e rotor imóvel Demonstração: constituição, manobra e controlo de um motor de indução trifásico Nesta parte do trabalho pretende-se mostrar a constituição de motores de indução trifásicos e executar algumas operações de manobra e controlo, concretamente, ao nível 6 Repare-se que este curto-circuito é automático em motores com rotor em gaiola de esquilo mas deve ser garantido no caso de motores de rotor bobinado. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 4 de 9

5 do arranque e inversão do sentido de marcha, frenagem por corrente contínua e de variação de velocidade. A descrição e a fundamentação destes procedimentos foram tratados nas aulas da disciplina, pelo que se apela aos alunos para se inteirarem dessas matérias. 2. OBJECTIVOS DO TRABALHO Como salientado oportunamente, o presente trabalho pretende alcançar os seguintes objectivos: a) Realizar os ensaios económicos de um motor de indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo, com vista à determinação de todos os parâmetros do seu circuito equivalente simplificado, por fase, referido aos estator. b) Observar o arranque de um motor de indução trifásico realizado com recurso às seguintes metodologias: arranque directo, arranque por variação de tensão, arranque estrela-triângulo, arranque com suavizador electrónico e arranque por variação de frequência recorrendo a um controlador do motor. c) Proceder à inversão do sentido de marcha de um motor de indução trifásico. d) Proceder à frenagem de um motor de indução trifásico por corrente contínua. e) Praticar a variação de velocidade de um motor por recurso ao controlo da frequência (e tensão) de alimentação do mesmo. 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: Motor de indução trifásico de rotor em gaiola de esquilo. Autotransformador trifásico. Bateria de corrente contínua. Aparelhagem para medida de tensão, corrente e potência em sistemas monofásicos e trifásicos diversa, bem como taquímetro, para medida de velocidade de rotação, e termómetro, para medida da temperatura ambiente. No âmbito da demonstração, acrescentam-se os seguinte equipamentos principais: Motor de indução trifásico de rotor em gaiola de esquilo. Autotransformador trifásico. Arrancador estrela-triângulo. Arrancador electrónico. Variador de frequência (controlador). ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 5 de 9

6 Transdutor de corrente por efeito Hall (LEM). Transformador de tensão. Osciloscópio digital. 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. A alimentação do motor será sempre realizada através do autotransformador trifásico, o qual, antes de ser alimentado a partir da bancada, deverá estar regulado para aposição 0. Identificar o autotransformador, a aparelhagem de medida disponível e o motor a ensaiar. Registar as características do motor. Registar a temperatura ambiente. Recorrendo à bateria e ao método do voltímetro-amperímetro, medir a resistência entre todos os pares de terminais estatóricos do motor. Registar valores na Folha de Ensaio. Observação: O período de tempo de alimentação do estator do motor deve ser curto e as corrente usadas devem ser reduzidas por forma a evitar-se o seu aquecimento. A fim de limitar a corrente de medida, deve usar-se um reóstato. Realizar a montagem necessária para o ensaio em vazio do motor, tendo a máximo cuidado na selecção dos calibres para a diferente aparelhagem de medida. Solicitar a verificação da correcção da mesma. Realizar o ensaio em vazio do motor, alimentando-o à tensão nominal de frequência nominal. Registar valores na Folha de Ensaio. Observação: O período de funcionamento do motor deve ser curto por forma a que o seu aquecimento seja desprezável. Realizar a montagem necessária para o ensaio com rotor bloqueado, tendo a máximo cuidado na selecção dos calibres para a diferente aparelhagem de medida. Solicitar a verificação da correcção da mesma. Realizar o ensaio com rotor bloqueado do motor, alimentando-o com uma tensão crescente até que a corrente absorvida seja a nominal. Registar valores na Folha de Ensaio. Observação: O período de alimentação do motor deve ser curto por forma a que o seu aquecimento seja desprezável. Desligar e desmontar. Arrumar a bancada de trabalho. Entregar um exemplar da Folha de Ensaios devidamente assinada e datada ao docente. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 6 de 9

7 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: Tratar os resultados dos ensaios económicos do motor, determinando todos os parâmetros do seu modelo simplificado, por fase, referido ao estator. Prever as características do motor calculando, nomeadamente, a corrente e potência absorvidas, o factor de potência, a potência útil, o binário útil e o rendimento correspondentes aos deslizamentos de 50%, 75% e 100% do deslizamento nominal. Com base nos resultados obtidos, representar graficamente as mesmas. ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 7 de 9

8 Trabalho Laboratorial MIT-1 Folha de Ensaio Turma: Grupo: Data: / / Assinaturas: 1. Identificação do motor ensaiado P n ( ) U n ( ) f n ( ) I n ( ) Cosj n n n ( ) Fabricante Tipo Número Serviço Cl. Isol. IP 2. Resistência entre fases R UV (W) R VW (W) R UW (W) T amb = C R 1 RUV + RVW + RUW = = Ω 3 3. Ensaio em Vazio Esquema de Montagem: Resultados: U ( ) I ( ) W 1 (div) F. mult.: W/div W 2 (div) F. mult.: W/div P ( ) n ( ) ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 8 de 9

9 4. Ensaio com rotor bloqueado e em curto-circuito Esquema de Montagem: Resultados: U ( ) I ( ) W 1 (div) F. mult.: W/div W 2 (div) F. mult.: W/div P ( ) Anotações: ME1(T) - Trabalho laboratorial MIT-1 AFC. Página 9 de 9