LABORATÓRIO INTEGRADO II

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO INTEGRADO II Experiência 05: MOTOR TRIFÁSICO DE INDUÇÃO ENSAIOS: VAZIO E ROTOR BLOQUEADO Prof. Norberto Augusto Júnior

2 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 2 Objetivo: Realizar ensaios de vazio e rotor bloqueado no MTI - Motor Trifásico de Indução para determinar os parâmetros do circuito equivalente e compreender o comportamento das perdas em vazio e das perdas em carga. 1. INTRODUÇÃO. Como já foi discutido na experiência anterior o motor trifásico de indução tem como princípio de funcionamento a interação entre o campo magnético girante produzido pelas correntes do sistema trifásico percorrendo três bobinas idênticas, com os seus eixos e defasados de 120º, e as correntes induzidas nas barras do rotor. O modelo é determinado por parâmetros por fase. Analogamente ao transformador é possível realizar ensaios no MTI e determinar um modelo com parâmetros elétricos para estudo e análise da sua performance para as diversas situações de carga. O MTI possui bobinas do estator e barras ou enrolamento do rotor que apresentam resistências respectivamente R es e R r. Essas resistências causam as perdas Joule (R.I 2 ) e quedas de tensão (RxI). As perdas no núcleo, ou seja, as perdas no ferro, (são aquelas já estudadas nos transformadores pelos fenômenos de Histerese ou Magnetização e de Correntes de Foucault) e são representadas pela resistência R M. A corrente de magnetização é simulada pela reatância de magnetização X M. Pelo fato de existir entreferro (espaço necessário entre o estator e o rotor), no MTI a corrente de magnetização é substancialmente superior comparada com a corrente de magnetização do transformador. As bobinas dos enrolamentos do estator e do rotor apresentam fluxos de dispersão, simuladas pelas reatâncias X es e X r. Os parâmetros do rotor R r e X r podem ser referidos ao rotor pela relação entre o número de espiras por fase dos enrolamentos do estator e rotor: a = N es / N r Ou seja, R r = a 2. R r e X es = a 2. X es O carregamento do motor é simulado no modelo através da resistência (R r /s) que diminui o valor quanto maior a carga. Ou seja, maior carga, menor velocidade do rotor, maior o

3 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 3 escorregamento s. Fisicamente, maior a carga aplicado ao rotor, menor a sua velocidade, maior a tensão induzida, maior a corrente, maior as forças tangenciais nas barras (ou enrolamento do rotor), maior o conjugado motor, até se igualar ao conjugado resistente. Essa condição de operação é satisfeita até o motor atingir um conjugado máximo a partir do qual o motor perde velocidade e para. Nessa situação as correntes no estator e rotor são intensas e o motor deve ser desligado pela proteção. A potência mecânica total é determinada no modelo através da potencia eletromagnética do rotor Pr por fase. Sendo, Pr = (i r) 2. (R r /s) e P mec = Pr - (i r) 2. R r O MTI apresenta em funcionamento perdas de atito e ventilação e que não são destacadas no modelo. Assim, determinado a potência mecânica total do rotor, P mec, deve-se subtrair a potência de atrito e ventilação, P a,v para determinar a potência motora útil, P mec. Ou, P mec = P mec - P a,v Circuito equivalente, referido ao estator (por fase) V es = Tensão do estator, por fase X es = Reatância de dispersão do estator, por fase R es = Resistência ôhmica do estator, por fase Xm = Reatância de magnetização Rm = Resistência associada às perdas de excitação, no núcleo X r = Reatância de dispersão do rotor, referida ao estator R r = Resistência ôhmica do rotor, referida ao estator

4 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 4 2. ENSAIO EM VAZIO Quando o motor está em vazio não nenhuma carga aplicada ao rotor e, portanto não desenvolve nenhum conjugado motor. Ou seja, a potência P mec é nula. A velocidade do rotor é a maior possível, ligeiramente inferior a velocidade de sincronismo do campo girante e, portanto podemos considerar o escorregamento nulo, s = 0. Assim, a tensão e a corrente do rotor são praticamente nulas. No circuito equivalente a resistência (R r / s) é infinita. A corrente do rotor de vazio, I 0, é a de magnetização, I M somada com a de perdas no ferro, I P. Ou fasorialmente, I 0 = I M + I P. As quedas de tensão na resistência do estator e na reatância de dispersão do estator também são consideradas desprezíveis. As perdas absorvidas da fonte de alimentação em vazio por fase, P ABS0 são as perdas no ferro, P FE, as perdas no cobre em vazio do estator em vazio, P CU10 eas perdas de atrito e ventilação P a,v. ou, P ABS0 = P FE + P CU10 + P a,v, onde P CU10 = Res. I 2 0 Os valores são sempre por fase, assim as perdas no ferro e perdas de atrito e ventilação devem ser as totais dividas por três (3). Com as considerações apresentadas o modelo do motor em vazio, por fase é apenas a resistência R M em paralelo com a reatância de magnetização X M Modelo do Motor Trifásico de Indução em Vazio No ensaio em vazio as perdas absorvidas e medidas pela soma das leituras dos wattímetros monofásicos W 01 e W 02 são das três fases.

5 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 5 Nota: A potência trifásica absorvida pelo motor é medida através de dois wattímetros monofásicos pela aplicação do Teorema de Blondel. As bobinas de corrente, de cada wattímetro, são ligadas em série em duas fases quaisquer. Um dos terminais de cada uma das bobinas de tensão dos wattímetros são ligada com a polaridade coincidindo com as polaridades das bobinas de corrente nas respectivas fases que estão ligadas as bobinas de corrente. Os outros dois terminais das bobinas de tensão são ligados simultaneamente na terceira fase e que não possui bobina de corrente. A potência trifásica é a soma algébrica da leitura dos dois wattímetros. Poderá inclusive ocorrer que um dos wattímetros apresente leitura negativa. Assim, P ABS0 = (W 01 + W 02 ) / 3 Medindo-se a corrente em vazio por fase I 0, as perdas no cobre do estator por fase é determinada por P CU10 = Res. I 2 0. Assim, é possível determinar P FE + P A,V = P ABS0 - P CU10 Analogamente ao transformador as perdas no ferro variam com a tensão de alimentação pela expressão; P FE = V 2 es / R M. Se a tensão de alimentação do motor variar em uma ampla faixa de valores tal que a rotação possa ser considerada constante é possível podemos traçar a a função (P FE + P A,V ) = f (V 2 es), que é uma reta ascendente. Normalmente nos motores a rotação permanece praticamente constante, quando em vazio, a tensão de alimentação diminui até 40% da tensão nominal. Com essas considerações e extrapolando o gráfico do ponto de V 2 es min até V es nulo, é possível determinar as perdas de atrito e ventilação, P A,V, e separá-las das perdas do ferro, P FE. (P FE + P A,V ) P FE P A,V V 2 es V 2 es nim V 2 es nom

6 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 6 Uma vez separadas as perdas do ferro e perdas de atrito e ventilação é possível determinar R M e X M como segue: cos φ = P FE / V es x I 0 I P = I 0. cos φ e I M = I 0. sen φ R M = V es / I M e X M = V es / I P DIGRAMA DE FASORES DO ENSAIO EM VAZIO V es I 0 I P φ I M 2.1) ESQUEMA DE MONTAGEM DO ENSAIO EM VAZIO

7 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 7 2.2) VALORES MEDIDOS 2.2.1) Ligar o estator do motor na ligação 220 V/ (duplo delta). A ligação do rotor é Y (estrela) e no ensaio deverá permanecer em curto - circuito ) Medir a resistência ôhmica por fase do estator e rotor Temperatura Ambiente = ºC R es = Ohms R r = Ohms Nota: Na medida da resistência ôhmica por fase deve ser avaliada a ligação do motor ) Verificar se o enrolamento do rotor está em curto circuito e variar a tensão de alimentação, V es, através do Variac e anotar os valores da tabela. TENSÃO ( V es ) V CORRENTE (I 0 ) A WATTÍMETRO 1 ( W 01 ) W WATTÍMETRO 2 ( W 02 ) W

8 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior ) Com o circuito do rotor aberto, anotar os valores da tabela e determinar a relação do número de espiras a = N es / N r = V es / V r V es (V) V r (V) Y 3. ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO No ensaio do motor com o rotor bloqueado ou velocidade nula o escorregamento é unitário (s = 1). A tensão de alimentação do estator, V es, é ajustada até a corrente do estator atingir o valor nominal. A tensão nessa condição é reduzida e podemos considerar desprezíveis as perdas no ferro e a corrente de magnetização. As perdas de atrito e ventilação são nulas pela condição de rotor bloqueado. Assim, o modelo do transformador com rotor bloqueado é semelhante ao do transformador em curto, ou seja, as resistências e reatâncias do estator e rotor ligadas em série. A potência absorvida é então a soma das perdas Joule do estator e rotor. Assim, é possível definir: Z CC = V es / I cc1 R e1 = R es + R r = R es + a 2. R r e X 2 e1 = Z 2 cc1 R 2 e1

9 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 9 Para motores de rotor bobinado X es = X e1 /2 e X r = X e1 / (2. a 2 ). Nota: Para motores de rotor de gaiola não é possível determinar R r e nem a relação do número de espiras, a. O valor de R e1 é determinado pela potência absorvida na condição de rotor bloqueado, W cc1. Onde: R e1 = W cc1 / I 2 cc1 Para o rateio de X e1 em X es e X r, considera-se que X es = 0,6. X e1 e X r = 0,4. X e1. Nos motores de gaiola, não é possível calcular o valor de X r por não ser possível determinar por ensaio o valor de a. 3.1) ESQUEMA DE MONTAGEM DO ENSAIO DE ROTOR BLOQUEADO 3.2) VALORES MEDIDOS 3.2.1) Ligar o estator do motor na ligação 220V/ (duplo delta). A ligação do rotor é Y (estrela) e no ensaio deverá permanecer em curto circuito. NOTA: O ROTOR DURANTE O ENSAIO DEVERÁ PERMANECER BLOQUEADO ) Verificar se o enrolamento do rotor está em curto circuito e variar a tensão de alimentação, V es, através do Variac e anotar os valores da tabela.

10 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 10 TENSÃO ( V es ) V CORRENTE(I cc1 ) A WATTÍMETRO 1 ( W cc1 ) W WATTÍMETRO 2 ( W cc2 ) W RELATÓRIO I) Ensaio de Vazio 1) Apresente o gráfico da característica de vazio do MTI V es x I 0. Justifique o aspecto do gráfico 2) Apresente o gráfico de (P FE + P A,V ) = f (V es ). Justifique o aspecto do gráfico 3) Apresente o gráfico de (P FE + P A,V ) = f (V 2 es). Justifique o aspecto do gráfico 4) Determine as perdas de atrito e ventilação, P A,V 5) Determine as perdas no ferro P FE, para a tensão nominal do estator; 6) Determine os parâmetros R M e X M ; 7) Qual é o fator de potência em vazio? II) Ensaio de Rotor Bloqueado 1) Apresente o gráfico de P CU = f (I cc1 ). Justifique o aspecto do gráfico 2) Para a corrente nominal do estator determine Z cc1, X e1, X es e X r 3) Qual é o fator de potência com o rotor bloqueado? III) Modelo do MTI 1) Apresente o modelo do MTI com todos os parâmetros determinados nos itens anteriores.

11 USJT FTCE Laboratório Integrado II Motor Trifásico de Indução: Ensaios: Vazio e Rotor Bloqueado Prof. Norberto Augusto Júnior 11 2) O motor MTI do laboratório é alimentado no estator com 220 V trifásico. Considere a aplicação de uma carga mecânica tal que a rotação seja de 1730 rpm. Determinar: a) A corrente absorvida da rede; b) As perdas no cobre do estator e rotor; c) As perdas no ferro; d) A potência eletromagnética; e) A potência de entrada; f) O conjugado motor desenvolvido; g) O rendimento do MTI.