TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO NOVEMBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO NOVEMBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA ENSAIO DE TENSÃO INDUZIDA A PARTIR DO ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO DE ROTOR BOBINADO Antônio José Faria Barbosa Júnior Orientador: Prof. Dr. Ângelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Resumo - Este artigo trata-se da construção de um gerador de tensão 120[Hz] utilizando-se um conversor rotativo de rotor bobinado com o eixo sendo girado em sentido oposto ao campo girante do estator acionado por um Motor de Corrente Contínua. Este arranjo será utilizado para o ensaio de tensão induzida em transformadores, onde normalmente são necessárias máquinas especiais, sendo assim, o projeto descrito é uma solução mais viável economicamente. Palavras-Chave: Ensaio de tensão induzida, Gerador [120Hz], Motor de Indução. I INTRODUÇÃO Todo componente ligado à rede elétrica poderá, em certo momento, ficar exposto à sobretensões. Em se tratando de transformadores, isso pode gerar acidentes graves se o equipamento estiver em condições precárias. Os problemas causados pelas sobretensões, em sua maioria, ocorrem por falha no isolamento da máquina. Em transformadores em funcionamento, existem as tensões entre as bobinas de alta e baixa, entre esses enrolamentos e as partes de metal aterradas e também entre espiras no mesmo enrolamento. Dito isso, é possível perceber o quão propício a esse tipo de falha é o equipamento e a importância do estudo e detecção de possíveis problemas. São conhecidos três métodos para averiguar o estado do isolamento em transformadores, sendo: medição da resistência de isolamento, teste de tensão aplicada e ensaio de tensão induzida[1]. Os dois primeiros tem a finalidade de verificar o isolamento entre os enrolamentos de alta e baixa e entre ambos e as partes metálicas, já o último consegue verificar o isolamento entre espiras do mesmo enrolamento. O ensaio de tensão induzida em transformadores é visto como ensaio de rotina, usado para averiguar o isolamento entre espiras dos transformadores com tensões nominais menores que 75[KV], porém para a realização do teste é preciso aplicar uma tensão com o dobro da amplitude e até duas vezes a frequência nominal do transformador, no lado de baixa tensão, ou seja: 120 [Hz], aí que entra o problema de se conseguir essa tensão e a ideia desse Trabalho Final de Graduação A solução encontrada foi de acionar um Motor de Indução de rotor bobinado, com frequência nominal 60 [Hz], através de um Motor de Corrente Contínua de tal forma que o campo da armadura do conversor, acionado externamente, gira em um sentido e seu eixo gira no sentido oposto com rotação de 1800 [rpm]. Dessa forma, será obtido tensão com frequência e amplitude variáveis na saída do MIT, no presente ensaio foi escolhido 120 [Hz]. II REFERENCIAL TEÓRICO Serão introduzidos alguns conceitos sobre os principais equipamentos utilizados para o melhor entendimento do arranjo elaborado. II.1 Máquina CA de Rotor Bobinado As Máquinas CA Assíncronas, também chamadas de Máquinas de Indução, funcionam a partir do princípio da indução eletromagnética de energia, onde bobinas colocadas no estator são alimentadas por um sistema trifásico de tensões e correntes, criando um sistema trifásico de campos magnéticos variantes no tempo que induz no rotor e faz circular corrente e polariza-os, como nos transformadores. É sabido que o funcionamento descrito diz respeito à operação como motor e que o inverso, operação como gerador, também é possível e desejável no presente ensaio. As máquinas de Indução são classificadas em dois tipos diferenciando-se em relação à construção do rotor, sendo estes: rotor bobinado e rotor gaiola de esquilo. O rotor gaiola de esquilo consiste em barras condutoras encaixadas em ranhuras no ferro do rotor e curtocircuitadas por anéis condutores. 1

2 Já o rotor bobinado possui bobinas como as do estator e com o mesmo número de polos. Os terminais desses enrolamentos são conectados a anéis deslizantes montados sobre o eixo. Escovas de carvão apoiadas sobre esses anéis permitem que os terminais do rotor tornem-se acessíveis externamente ao motor [2]. As figuras 1 e 2 mostram, respectivamente, o rotor gaiola de esquilo e o rotor bobinado. Quanto à parte fixa, trata-se de bobinas percorridas pela corrente contínua de campo ou estatórica, que passam a se comportar como eletroímãs de polaridade fixa. Ao fixá-las nas peças polares, surge então, os polos magnéticos e o campo magnético principal. Já na parte girante, corrente contínua passa das escovas para o comutador e por sua vez para as bobinas no rotor para que estas fiquem polarizadas e haja atração e repulsão entre os polos opostos e iguais do campo do estator. A ação dos comutadores é de extrema importância para o funcionamento da máquina. Pois, sem eles, ao completar meia volta os polos da armadura e de campo iriam se atrair e tender a ficar estáticos, a eficiência no chaveamento das bobinas no comutador é fundamental para que o momento de inércia no eixo seja mantido e o motor funcione constantemente. II.3 Excitação da Máquina de Corrente Contínua Fig.1 Rotor Gaiola de Esquilo. Fig.2 Rotor Bobinado. A diferença de velocidade do campo girante produzido pelo estator e a do rotor é chamada de escorregamento e influencia a frequência da tensão do rotor dado pela equação (1): f Rotor = s f estator [Hz] (1) Onde: - s: escorregamento; - f estator : frequência do campo girante do estator; - f Rotor : frequência do campo girante do rotor. II.2 Máquina de Corrente Contínua Os motores de corrente contínua são muito usados em indústrias, principalmente em acionamentos onde é necessário controle preciso de velocidade de rotação. Devido à sua simplicidade e facilidade de controle de velocidade, este foi escolhido para o acionamento da Máquina CA. Como o motor CA, a máquina CC pode ser dividida em duas partes distintas: o estator (parte fixa) e o rotor (parte móvel). Quanto à excitação do campo da máquina, temos os tipos excitação independente e auto-excitado. No primeiro caso, como o nome já diz, a excitação da bobina de campo é feita a partir de uma fonte independente da que está sendo usada na armadura. Esta configuração é bastante utilizada devido aos variados métodos de controle de velocidade Já os motores auto-excitados podem apresentar configuração série, shunt ou composta: - Excitação Série: nesta configuração, as bobinas de campo estão ligadas em série com o enrolamento de armadura, ambos possuem fios grossos para facilitar a passagem de corrente. Esta corrente alta garante ao motor alto conjugado de partida o que justifica sua grande aplicação na área de tração elétrica, como bondes e trens. - Excitação Shunt: também chamada de excitação em paralelo, o conjunto de bobinas de campo fica em paralelo com o de armadura. Neste caso, o enrolamento de campo possui fio fino e várias espiras, já que a alta corrente que aparece em operação em plena carga irá para o enrolamento de armadura. Esta configuração possui pouca variação da velocidade em relação à variação de carga. - Excitação Composta: basicamente a junção dos dois métodos anteriores, a bobina série pode auxiliar ou se opor à parte paralela do enrolamento de campo. Esta configuração possui torque de partida maior que a configuração paralela e melhor controle de velocidade quando comparado à excitação série. As imagens representativas dos acionamentos encontramse no Anexo A da seção Anexo. No presente trabalho foi usada a excitação shunt devido à sua facilidade em manter a velocidade constante o que é fundamental para o projeto. II.4 Ensaio de Tensão Induzida Segundo a Norma ABNT NBR : 2007 página 6 [3] o ensaio de tensão induzida em transformadores é visto como ensaio de rotina, usado para averiguar o isolamento entre espiras dos transformadores com tensões nominais 2

3 menores que 75[KV], como mostrado na tabela 1, a seguir: levando em conta ainda a saturação do material, a corrente necessária ultrapassaria muito o limite, como mostrado na Fig.3, a seguir: Tabela.1 Requisitos para os ensaios dielétricos (ABNT , p. 05). Para a realização do ensaio utiliza-se o transformador à vazio e aplica-se uma tensão igual ao dobro da nominal, nos terminais de baixa, durante um tempo de 7200 ciclos. No lado da alta tensão, onde é exigido mais do dielétrico, também aparecerá um potencial duplo entre espiras. Dessa forma, dentro do tempo especificado, se houverem problemas com o transformador, este será identificado, seja na forma de bolhas, fumaça, barulho, etc... A Fig. 3 ilustra a tensão entre espiras: Fig.3 Potencial entre espiras. Fig.4 Gráfico de Campo Magnético x I de excitação. A solução para esse problema é aumentar a frequência. Nota-se que em casos onde a frequência é dobrada, a corrente de excitação permanece a mesma do funcionamento nominal. Também, no caso da frequência f = 120 [Hz], o período do teste de 7200 ciclos é igual a 1 minuto. III METODOLOGIA A primeira ideia para a obtenção do sinal com a frequência desejada para o teste de tensão induzida foi apresentada pelo ex-aluno de Engenharia Elétrica Lucas Roman, em seu Trabalho Final de Graduação [5] apresentado em Novembro de Neste arranjo, o ex-aluno excitava o campo do estator com tensões trifásicas equilibradas com o intuito de induzir corrente nas bobinas do rotor. Este, por sua vez, era acionado por um MCC no sentido oposto ao campo, fazendo com que através dessa diferença, também chamada de escorregamento, a tensão gerada nas bobinas rotóricas tivesse frequência duas vezes a nominal da máquina, ou seja, 120 [Hz]. Nesse caso, o escorregamento era igual a dois. A figura 5, a seguir, ilustra o esquema montado: Um importante ponto a ser observado nesse ensaio é que a corrente de excitação não pode exceder 30% do valor da corrente nominal, pois um alto valor de corrente reflete em aumento de temperatura e possíveis danos ao isolamento. A equação (2) a seguir mostra a forma simplificada da tensão induzida Onde: - V: tensão induzida; - k: constante; - B: campo magnético induzido. V = k B f [V] (2) Ao tentar obter a tensão dobrada apenas aumentando a indução magnética e mantendo a frequência constante, Fig.5 Esquema realizado pelo Lucas Roman. O esquema, apesar de abrir oportunidades para novos estudos, era falho por excitar o MIT pelos terminais do estator e retirar a tensão pelo rotor. Como dito anteriormente, o MIT funciona através de indução magnética, como um transformador, e o utilizado apresentava relação de transformação de dez para um (10:1), o que fez com 3

4 que a tensão de saída tivesse amplitude muito inferior à mínima para o ensaio no transformador. Até foi tentado o uso de um varivolt para elevar o sinal, porém sem êxito. A solução foi excitar o campo da armadura do MIT através do varivolt para regular a tensão e girar o eixo do rotor no sentido no mesmo sentido desse campo através do MCC. Dessa forma, através da soma das velocidades angulares, o campo produzido apenas pelo rotor já terá 120[Hz] e será induzido no estator, que é a alta da máquina, gerando a tensão com frequência e amplitude aptas ao ensaio de tensão induzida. Nesse arranjo, o escorregamento é 1, podendo-se comparar a máquina a um gerador síncrono. A figura 6 mostra o esquema: - na segunda montagem, foi colocado um disjuntor a montante do transformador para proteção e também para facilitar a contagem do tempo e chaveamento do processo. Vale ressaltar que na ligação feita, o MIT gera tensões até 440 [V], porém, ainda existe a ligação até 760 [V], como indicado na Fig.7: Fig.7 Possíveis saídas do MIT. IV RESULTADOS E DISCUSSÕES A Fig.8 e Fig.9 mostram, respectivamente, a saída no acionamento à vazio e com carga: Fig.6 Esquema realizado atualmente. O Anexo B mostra a montagem à vazio feita na bancada do laboratório primeiramente para averiguar o comportamento do esquema sem carga, já o Anexo C mostra a montagem quando o ensaio de tensão induzida foi propriamente feito. No anexo é possível ver os principais equipamentos utilizados, sendo: - motor de corrente contínua, - motor de indução com rotor bobinado, - reostato de partida e de campo, - varivolt, - voltímetro, - frequencímetro, - amperímetro, - multímetro, - osciloscópio, -disjuntor. As experiências prosseguiram da seguinte forma: - foi usado um reostato de partida de 22[ohms] no MCC para regular sua corrente de partida, logo após atingir uma velocidade considerável o reostato foi curtocircuitado. - a velocidade necessária de 1800 [rpm], devido ao motor ter 4 polos, foi obtida ajustando a resistência de campo e consequentemente o fluxo de campo. - foi então verificada a frequência no frequencímetro, em casos onde o campo e o eixo do rotor giravam em sentidos opostos a frequência lida era zero, como o esperado. - por fim, regulou-se o varivolt afim de se conseguir a frequência e a amplitude desejadas. Quando a saída do varivolt era muito baixa, a frequência de saída no MIT era influenciada. Fig.8 Saída obtida no ensaio a vazio. Fig.9 Saída obtida no ensaio com carga É possível perceber em ambos os casos que a frequência e amplitude necessários para o ensaio foram obtidos. No segundo caso, a tensão utilizada tinha 1,5 [pu] da tensão nominal, esta foi a recomendação do orientador Ângelo 4

5 Rezek devido à idade avançada do transformador utilizado. Nos gráficos apresentados, o sinal em amarelo é a tensão e o verde diz respeito à corrente. É visível a distorção no sinal do ensaio à plena carga. Isso se deve por duas razões: - transformadores por natureza são injetores de harmônicos, então já eram esperadas interferências harmônicas. - as potências das máquinas envolvidas em questão estão mal dimensionadas. O transformador é de potência nominal 15 [kva], o MCC é de 2 [kw] e o MIT possui 2,25 [kw]. Ou seja, a potência do transformador é maior do que das máquinas que estão acionando-o, o que reflete em distorções de sinal. Após o ensaio feito foi concluído que o transformador não apresentava problemas na isolação entre espiras. BIOGRAFIA: Antônio José Faria Barbosa Júnior Nasceu em São José dos Campos (SP), em Estudou em São José dos Campos, tendo recebido o título de Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Professor Everardo Passos ETEP. Ingressou na UNIFEI em 2009 no curso de Engenharia Elétrica, foi membro do projeto especial Cheetah e-racing de Fórmula SAE de 2012 a V CONCLUSÃO É possível dizer que o arranjo foi um sucesso, A tensão de saída foi satisfatória e o ensaio no transformador foi feito. Além disso, o aprendizado quanto ao funcionamento das máquinas e suas aplicações foi imenso. Não menos importante vem a familiarização com o ambiente de pesquisa e laboratório. Contudo, este trabalho trata-se de uma fase de testes para que futuramente seja implementada uma bancada na UNIFEI com a finalidade de se fazer esse teste sempre que necessário, isso é bom, pois mostra a real utilidade do trabalho. REFERÊNCIAS [1] OLIVEIRA, José Carlos; COGO, João Roberto; ABREU, José Policarpo G. de transformadores: teoria e ensaios. São Paulo: Edgar Blucher, [2] UMANS, Stephen D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley / Stephen D. Umans; tradução: Anatólio Laschuk. 7 ed. Porto Alegre [3] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT; NBR , NBR [4] Catálogo Siemens, Motores de Corrente Contínua, ed: Dísponível em: s_cc_ind1.pdf Acesso em 04 de Novembro de [5] Lucas Roman, Gerador 120 [Hz] baseado em máquina de indução rotor bobinado, para aplicação em ensaios de tensão induzida de transformadores, Trabalho Final de Graduação, UNIFEI,

6 Anexos Anexo A Tipos de acionamento de Corrente Contínua.

7 Anexo B Montagem à vazio Anexo C Montagem à plena carga

8 Anexo D Leitura da tensão de excitação do rotor do MIT, saída do varivolt. Anexo E Chapa com os parâmetros do MCC

9 Anexo F Chapa com os parâmetros do MIT Anexo G Chapa com os parâmetros de saída do Transformador