MÁQUINAS ELÉCTRICAS I

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1 SECÇÃO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS E ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA MÁQUINAS ELÉCTRICAS I 2º TRABALHO DE LABORATÓRIO Máquina Assíncrona 1ª PARTE 1º SEMESTRE 2003/2004

2 1. Máquina Assíncrona Objectivos do trabalho: Caracterização do funcionamento da máquina assíncrona trifásica em regime permanente equilibrado. Estudo de alguns regimes desequilibrados, como o que resulta de uma alimentação assimétrica da máquina. Caracterização do funcionamento da máquina assíncrona monofásica e da máquina assíncrona difásica. Abordam-se os aspectos seguintes: Regime permanente da máquina assíncrona trifásica (Funcionamento motor). a) Funcionamento em regime permanente e equilibrado - Ensaio da máquina assíncrona em carga; - Ensaio da máquina assíncrona com o rotor bloqueado. b) Funcionamento em regime desequilibrado - Máquina assíncrona trifásica em funcionamento monofásico. Máquina assíncrona monofásica Regime permanente da máquina assíncrona trifásica Funcionamento em regime permanente e equilibrado Pretende-se determinar algumas das características de regime permanente e equilibrado de uma máquina assíncrona trifásica com o objectivo de salientar aspectos particulares do seu funcionamento. Para tal, realizam-se os ensaios da máquina em vazio, carga e com o rotor bloqueado. 2

3 A Fig. 1 mostra o esquema de ligações para os ensaios da máquina assíncrona trifásica. Os enrolamentos do estator da máquina assíncrona deverão ser ligados em estrela. Os enrolamentos do rotor, no caso do ensaio ser efectuado numa máquina de rotor bobinado, deverão ser ligados também em estrela. R S AT A V W Carga mecânica T Dca a) Máquina Assíncrona U V W Resistências rotóricas A 2 B1 E1 A 1 Rb V MCC B2 E2 Rc Dcc V + b) Máquina de corrente contínua Fig. 1: Esquema de ligações para o ensaio da máquina assíncrona trifásica Grandezas nominais da máquina assíncrona Registe os valores fornecidos pelo fabricante (placa da máquina) de forma a obter os valores nominais de funcionamento. Valores Nominais Estator Rotor Tensão Corrente Factor de potência X Potência Velocidade Binário 3

4 1º Ensaio Máquina assíncrona em vazio Arranque com a máquina elevando de forma gradual a tensão aplicada aos enrolamentos do estator até ao seu valor nominal por intermédio do autotransformador. Registe na tabela, para diferentes valores de tensão de alimentação os valores respectivos da corrente eficaz do estator e do rotor, da potência eléctrica solicitada à rede e da velocidade de rotação. Ν V composta Pe I s I r Impedância de magnetização: Trace a curva de potência versus tensão de alimentação e indique quais as perdas em jogo e quais os valores estimados. 2º Ensaio Máquina assíncrona em carga Arranque com a máquina elevando de forma gradual a tensão aplicada aos enrolamentos do estator até ao seu valor nominal por intermédio do autotransformador. Aumente gradualmente a carga aplicada até obter uma corrente no estator de aproximadamente o valor nominal, mas nunca ultrapassando os limites máximos de corrente dos equipamentos de medida. Curto circuite as resistências rotóricas R rotor =0. 4

5 Para cada um dos valores de carga aplicada, registe na tabela os valores de velocidade, corrente e tensão contínua debitada na carga do gerador de corrente contínua, corrente no estator, corrente no rotor, potência eléctrica da máquina assincrona. Considere que o rendimento do gerador de corrente contínua é de 80%. Ν V cc I cc Pe I s I r Trace as seguintes características com as diferentes grandezas em valores relativos (p.u.): - Característica da corrente no estator em função da velocidade - Característica da corrente no rotor em função da velocidade - Característica do factor de potência em função da velocidade - Característica do binário em função da velocidade - Característica do rendimento em função da velocidade - Característica da potência de entrada em função do binário 3º Ensaio Máquina assíncrona de rotor bobinado com alteração da resistência rotórica Aumente o valor da resistência dos enrolamentos do rotor ligando uma resistência trifásica no circuito do rotor. Com uma resistência rotórica na posição de R rotor = 0.5 R max., arranque com a máquina elevando de forma gradual a tensão aplicada aos enrolamentos do estator até ao seu valor nominal por intermédio do autotransformador. 5

6 Aumente gradualmente a carga aplicada até obter uma corrente no estator próxima do valor nominal, mas nunca ultrapassando os valores limites dos equipamentos. Para cada um dos valores de carga aplicada, registe na tabela os valores de velocidade, corrente e tensão contínua debitada na carga do gerador de corrente contínua, valores eficazes das correntes do estator e do rotor bem como, da potência eléctrica da máquina assincrona. Considere que o rendimento do gerador de corrente contínua é de 80%. Calcule na tabela seguinte os valores de velocidade e binário para R rotor = 0 da experiência anterior (2º ensaio) e para R rotor = 0.5 R max. Ν V cc I cc Pe I s I r R rotor = 0 R rotor = 0.5 R max ω r T e ω r T e Trace num mesmo gráfico e em valores relativos a característica bináriovelocidade para R rotor = 0 e R rotor = 0.5 R max. 6

7 Trace a curva completa da característica electromecânica da máquina em funcionamento motor; saliente na mesma os pontos que obteve experimentalmente. Justifique porque se deve aplicar uma tensão reduzida aos terminais da máquina assíncrona no arranque. Suponha que existe uma falha numa das fases de alimentação da máquina (p.ex., a queima de um fusível). Nesta situação, a máquina continuará a funcionar à mesma velocidade, a uma velocidade inferior, ou irá parar? Discuta esta situação. Suponha que ao arrancar com a máquina assíncrona uma das fases é perdida. Nesta situação, a máquina arrancará e funcionará normalmente, não arrancará ou poderá arrancar mas com uma velocidade reduzida? Discuta esta situação. Como pode inverter o sentido de rotação da máquina? Discuta como variam com a velocidade da máquina: as perdas no cobre, as perdas no ferro e as perdas devido ao atrito. Se o circuito do rotor estiver aberto (resistências rotóricas infinitas) a máquina assincrona arranca? Explique o que assistiu no laboratório. 4º Ensaio Máquina assíncrona com o rotor bloqueado Este ensaio é equivalente ao ensaio em curto-circuito do transformador trifásico. O veio da máquina assíncrona encontra-se bloqueado. A tensão de alimentação deve ser aumentada progressivamente até que a corrente nos enrolamentos do estator atinja o valor nominal. Para este valor de tensão, registe na tabela a potência total de entrada e o valor eficaz da corrente no estator. Potência absorvida Corrente no estator Tensão de alimentação Este ensaio deve ser realizado com rapidez para evitar o sobreaquecimento da máquina. Pois o processo de refrigeração com o rotor bloqueado é muito reduzido. 7

8 Resistência do estator: O valor da potência absorvida pela máquina com o rotor bloqueado é praticamente consumido em perdas no cobre tanto no estator como no rotor. A partir dos valores obtidos experimentalmente, determine a resistência equivalente total para o estator e rotor. Meça a resistência dos enrolamentos do estator e estime o valor da resistência rotórica. Uma máquina assíncrona pode ser comparada a um transformador. No entanto, o valor da sua corrente de magnetização é relativamente superior à do transformador. Justifique. A máquina assíncrona ensaiada tinha os enrolamentos ligados em estrela. Se fosse ligada em triângulo, como seria afectado o funcionamento da máquina? 1.2. Funcionamento em regime desequilibrado Máquina assíncrona trifásica em funcionamento monofásico Pretende-se estudar o comportamento da máquina assíncrona em regime desequilibrado, nomeadamente a falta de uma fase (anomalia relativamente frequente). Para isso, introduza um interruptor numa das fases de alimentação e mantenha-o fechado inicialmente. Arranque com a máquina assíncrona levando a tensão aplicada aos enrolamentos do estator até ao seu valor nominal por intermédio do autotransformador. Após atingir o regime permanente abra o interruptor. Aumente gradualmente a carga aplicada até obter uma corrente no estator próxima do valor do valor nominal, tendo cuidado em nunca ultrapassar os limites dos equipamentos de medida. Para cada um dos valores de carga aplicada, registe na tabela os valores de velocidade, corrente e tensão contínua debitada na carga do gerador de corrente contínua, valores eficazes das correntes do estator e do rotor bem como, da potência eléctrica da máquina assincrona. 8

9 Calcule para cada um dos valores de carga aplicada, os valores de velocidade e do binário. Ν V cc I cc Pe I s I r ω r T e Obtenha a relação binário-velocidade, representando as diferentes grandezas em valores relativos (p.u.). Compare esta característica com os resultados obtidos no ensaio da máquina assíncrona trifásica em regime equilibrado, justificando a diminuição ocorrida no valor do binário disponível. Com o interruptor aberto, verifique que a máquina em funcionamento monofásico não apresenta binário de arranque. No entanto, uma vez posta a rodar, independente do sentido de rotação, a máquina desenvolverá um binário médio. Justifique. Ao binário médio desenvolvido pela máquina assíncrona em funcionamento monofásico sobrepõe-se um termo oscilatório de dupla frequência. Utilizando a 9

10 máquina assíncrona de rotor bobinado, verifique o aparecimento deste termo oscilatório visualizando no osciloscópio o sinal de corrente num enrolamentos rotóricos da máquina quando esta funciona com uma falta de fase (a máquina deve estar em carga). Observe ainda o efeito sobre o sinal de corrente quando a fase é reposta. Justifique o aparecimento do termo oscilatório de dupla frequência. Coloque uma resistência adicional numa das fases do estator e em funcionamento trifásico verifique no osciloscópio a corrente no estator. Explique. Coloque agora uma resistência rotórica adicional apenas numa das fases do circuito do rotor e verifique o que se passa de novo, observando no oscilóscópio, a forma de onda da corrente no estator (harmónicos) e explique a razão de ser dessa distorção. Porque é que as oscilações de velocidade têm uma amplitude relativamente pequena apesar do aparecimento dos termos pulsatórios no binário da máquina Máquina assíncrona monofásica Verificou-se que a máquina com alimentação monofásica não possui binário de arranque. Para efectuar o arranque recorre-se a um enrolamento suplementar em quadratura com o objectivo de criar uma máquina bifásica, mas assimétrica. No laboratório testam-se duas soluções: a) colocação na máquina monofásica de um enrolamento em curto-circuito denominado espira-sombra ; b) colocação de um condensador em série com o enrolamento, ligado apenas durante o arranque da máquina. Para ambas as soluções, explique a forma como o segundo enrolamento permite que exista binário de arranque na máquina em funcionamento monofásico. Proponha uma solução para arrancar a máquina no sentido inverso. 10