Universidade Técnica de Lisboa

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ensaio da Máquina de Indução Laboratório de Máquinas Eléctricas

2 Índice 1. - Objectivos Base teórica Transitórios de arranque da máquina de indução Introdução Placa de protecção do motor Desenvolvimento dos trabalhos Rede de 230 V (Tensão composta) Arranque directo com a máquina ligada em triângulo Arranque directo com a máquina ligada em estrela Arranque estrela-triângulo Rede de 400 V (tensão composta) Arranque com introdução de bobinas no estator Arranque por autotransformador Utilização de arrancador suave Ensaios da máquina de indução Introdução Ensaio em vazio Esquema de ligações Ensaio com o rotor bloqueado Ensaio em carga

3 1. - Objectivos. Nesta sessão de laboratório realizam-se dois trabalhos. No primeiro, visualizam-se os transitórios de arranque da máquina de indução, e no segundo, estuda-se esta máquina em regime normal de funcionamento ligada a uma rede eléctrica. Os objectivos principais destes dois trabalhos são os seguintes: Aprender a efectuar o arranque da máquina de indução. Compreender as vantagens e inconvenientes de cada um dos métodos de arranque. Mostrar o comportamento da máquina em regime transitório. Efectuar os ensaios que permitam a determinação dos parâmetros do esquema equivalente da máquina de indução. Mostrar as características de funcionamento normal com carga mecânica variável Base teórica. A máquina de indução de rotor em gaiola de esquilo, que constitui o objecto de estudo destes dois trabalhos, é constituída por um estator com um circuito magnético no qual estão implantados três enrolamentos distribuídos em cavas, e por um rotor constituído por um circuito magnético de ferro macio também com cavas onde se encontram barras condutoras curto-circuitadas nos topos (rotor em gaiola de esquilo ou em curto-circuito). Os enrolamentos do estator são percoridos por um sistema trifásico de correntes alternadas e sinusoidais quando forem alimentados por um sistema trifásico de tensões também alternadas e sinusoidais da mesma frequência f. Sendo p o número de pares de pólos da máquina, estas correntes criam um campo girante de indução magnética que roda à velocidade de sincronismo dada por: 60 f n s = [ rpm] (1) p Rodando o rotor da máquina à velocidade de n [rpm], define-se o escorregamento relativo como: s n n = s (2) ns 3

4 Em regime permanente, o estudo da máquina de indução pode ser feito com a ajuda de um esquema equivalente como o representado na figura 1 onde o índice r se refere ao rotor, o índice s ao estator e o índice m à magnetização. i j(x s R s +R r s +X r ) i r i m u s G m jb m 1-s s R r Figura 1: Esquema equivalente aproximado da máquina de indução. Em amplitudes complexas, a corrente do estator I s é dada pela soma (fasorial) da corrente de magnetização I m (quase indutiva pura e de amplitude constante) com a corrente equivalente do rotor I r que depende fortemente do escorregamento. O valor da resistência fictícia R s r = R r + R r 1 s determina o comportamento desta s máquina. Uma vez que o valor da resistência do rotor R r é relativamente baixa, só se obterão valores de correntes razoáveis com escorregamentos s baixos, próximos de zero, de modo a que a resistência R r /s seja elevada. No arranque, o escorregamento é unitário e como consequência a máquina vai absorver correntes de arranque elevadas, podendo ser várias vezes (4 a 8) superiores ao valor nominal (figura 2). Esta corrente circula pela máquina e pela rede que a alimenta durante o transitório de arranque, provocando quedas de tensão nas impedâncias da rede e consequentes abaixamentos de tensão. Estas constituem perturbações à alimentação dos consumidores vizinhos. Para diminuir estas perturbações é necessário reduzir o valor da corrente de arranque usando métodos de arranque apropriados que se adaptem às caracteristicas da rede onde o motor se encontra ligado e que também sejam adaptadas à carga mecânica que este acciona. Estes métodos de arranque traduzem-se, entre outros, por uma aplicação transitória de um valor mais baixo de tensão ou pela introdução de impedâncias em série com os enrolamentos do estator. 4

5 Is/IN Ir/IN Máquina Assíncrona T/TN FP N/Ns Figura 2: Andamento da corrente do estator, rotor, do binário, e do factor de potência em função da velocidade de rotação da máquina quando alimentada a tensão e frequência constantes. No primeiro trabalho descrito neste guia pretende efectuar-se alguns arranques e visualizar no osciloscópio as formas de onda das grandezas mais importantes (corrente e velocidade de rotação). A figura 2 apresenta o andamento de algumas grandezas importantes para a compreensão do funcionamento da máquina quando esta se encontrar alimentada por uma rede de energia. Estas grandezas estão representadas em relação aos valores nominais. Note-se que, em funcionamento normal, apenas interessa a zona próxima da velocidade de sincronismo. Só nessa zona se têm valores baixos de corrente, valores razoáveis do factor de potência, etc. A figura 3 apresenta o andamento das grandezas da máquina de indução em função da carga mecânica, expressa aqui como a potência mecânica fornecida à carga. Estas características são válidas apenas para a situação normal caracterizada por escorregamentos pequenos. 5

6 1.2 Características 1 η Is, T, Fp,s, η Fp Is T s Pu/PN Figura 3: Andamento do rendimento, factor de potência, binário e corrente absorvida em função da carga (potência mecânica pedida). Em funcionamento normal (a baixos escorregamentos) a resistência R r /s é determinante sendo a corrente I r fortemente resistiva. O seu carácter resistivo vai diminuindo à medida que o escorregamento s aumenta. A corrente I s será a soma de I m com I r com se mostra na figura 4 para dois pontos de funcionamento (a e b). Demonstra-se que descreverá uma circunferência no plano de Argand. Como esta circunferência tem um diâmetro bastante grande, na zona de funcionamento normal obtém-se um arco que, por ser pequeno comparado com o diâmetro da circunferência, pode ser confundido com um segmento de recta. V s I m I r I s a I r I s b Figura 4: Diagrama vectorial da máquina em carga. (para dois valores de carga) 6

7 3. - Transitórios de arranque da máquina de indução. 3.1 Introdução Este trabalho destina-se a estudar os principais tipos de arranque da máquina assíncrona de rotor em gaiola. Serão efectuados os seguintes arranques: Arranque directo em estrela Arranque directo em triângulo Arranque estrela/triângulo Arranque por autotransformador Arranque por introdução de bobinas no estator Utilização de arrancador suave. Para todos estes ensaios regista-se num osciloscópio o andamento de duas grandezas: a velocidade de rotação e a corrente absorvida. Todos os ensaios serão efectuados com binário de carga nulo (máquina em vazio). A máquina de corrente contínua acoplada será utilizada como gerador taquimétrico aproveitando o fluxo remanescente do circuito de excitação. Os terminais do circuito de campo deverão encontrar-se em aberto. A tensão aos terminais do induzido é proporcional à velocidade de rotação do conjunto Máquina assíncrona - Máquina de corrente contínua. Os esquema de ligações da máquina de corrente contínua e do osciloscópio encontram-se representados nas figuras 5 e U V W M 3~ A B Figura 5: Esquema da máquina de corrente contínua. I 220 V ~ Sonda de Corrente Velocidade Osciloscópio Figura 6: Ligações ao osciloscópio. 7

8 Os 6 terminais das três fases do estator da máquina de indução encontram-se dispostos da forma representada na figura 7.a. As ligações em estrela figura 7b ou em triângulo 7c são fáceis de efectuar. Para se efectuar em ligação em estrela basta ligar os terminais Z-X-Y com dois fios e tomar UVW como terminais da máquina. De igual modo, para efectuar a ligação em triângulo, basta ligar U-Z, V-X, e W-Y. U V W U V W U V W Z X Y Z X Y Z X Y Ligação em Estrela Ligação em Triângulo 7a) Disposição 7b 7c) Figura 7: Terminais do estator da máquina assíncrona trifásica (ligação em estrela e ligação em triângulo). Os enrolamentos do estator da máquina que irá ensaiar foram dimensionados para suportar 230V. Assim, esta não poderá ser ligada em triângulo numa rede de 400 V. Uma primeira série de ensaios será efectuada com uma rede de 230 V de tensão eficaz composta. Para isso utilizar-se-á um transformador abaixador de 400/230V. 3.2 Placa de protecção do motor Existe uma placa de protecção do motor que é constituída por um disjuntor D, um contactor KM1 e um relé térmico. Esta placa deverá ser sempre utilizada sendo colocada a jusante da alimentação. O seu esquema encontra-se representado com fundo amarelo nos vários esquemas que se descrevem a seguir. Quando a bobina do contactor, representada pelo rectângulo ab (fig 10), for alimentada com uma tensão alternada de 230V, faz fechar os contactos do contactor, não só os contactos principais de potência, mas também o contacto auxiliar que se encontra representado no bloco deste circuito de comando. 8

9 No início os contactos estão abertos. Pressionando o botão ON (fig. 8 e fig. 10) que está ligado a um interruptor que se encontra normalmente desligado, aplica-se a tensão à bobina e esta faz fechar os contactos. Quando se fechar o contacto auxiliar que se encontra em paralelo com este interruptor, não é mais necessário pressionar o botão ON. Para interromper o circuito basta pressionar o botão OFF que vai fazer abrir o interruptor que se encontra em série com o circuito de comando. Figura 8: Placa de protecção do motor Interrompendo a corrente da bobina, uma mola faz abrir os contactos e desliga-se assim o motor. 3.3 Desenvolvimento dos trabalhos. Rede de 230 V (Tensão composta) Ligue um transformador abaixador (fig. 9) de 400/230 V entre a rede e os terminais UVW da placa de protecção. Ligue a máquina aos terminais RST desta placa. De modo a alimentar o circuito da bobina do contactor (ab) com 230V deverá ligar o ponto N a U ou a V (tensão composta de 230V neste caso). Figura 9: Transformador para a redução da tensão de 400V para 230V 9

10 3.3.1 Arranque directo com a máquina ligada em triângulo D KM1 Depois de ligado o disjuntor pressione o botão verde (ON). U V W N A B C Circuito de comando OFF ON Registe o transitório no osciloscópio. Anote o valor de pico da corrente de arranque e o tempo de arranque. Tenha atenção às escalas do osciloscópio e da sonda de corrente. Desligue a máquina actuando no botão vermelho (OFF). transitórios. R. térmico R S T M 3~ Figura 10: Arranque directo. ab Arranque directo com a máquina ligada em estrela Repita o ensaio anterior mas com a máquina ligada em estrela Arranque estrela-triângulo Coloque um arrancador estrelatriângulo entre a placa de protecção do motor e este como indicado na figura 11. Coloque o temporizador em 1,5 s. Ajuste a escala de tempo do osciloscópio (200 ou 250 ms) por forma a registar os dois 10

11 U V W N D A B C Circuito de comando OFF KM1 ON ab R. térmico R S T Arrancador estrela-triângulo KM4 KM5 KM6 U V W Z X Y U V W M 3 ~ Z X Y Z X Y Figura 11: Arranque estrela-triângulo (Nesta figura não é mostrado o circuito de comando dos contactores KM4, KM5 e KM6). 11

12 Rede de 400 V (tensão composta) Retire o transformador abaixador e ligue a máquina em estrela. A bobina do contactor deverá ser alimentada com 230V. Neste caso a tensão composta é 400V pelo que deverá agora ligar o ponto N da placa de protecção do motor ao neutro da bancada. U V W N D Circuito de comando OFF Arranque com introdução de bobinas no estator KM1 ON Efectue as ligações do esquema da figura 12. ab Com KM2 em aberto, ligue KM1. R. térmico Quando a velocidade atingir um valor próximo R S T da velocidade de sincronismo, curte-circuite as bobinas de arranque actuando em KM2 (ON). Registe o transitório no osciloscópio A U A V A W KM B U B V B W U V W M 3~ Bobinas de arranque da máquina de indução Figura 12: Arranque com bobinas no estator. O circuito de comando do contactor KM2 é apenas um interruptor com duas posições (ON e OFF). 12

13 3.3.5 Arranque por autotransformador Neste trabalho faz-se uma manobra simplificada que consiste em realizar apenas o arranque, não efectuando a transição para a situação normal (retirar de serviço o autotransformador). Ligue a máquina em estrela. Efectue as ligações alimentando a máquina através do autotransformador (transformador em funcionamento de autotransformador), figura 15. Pressione o botão ON da placa de protecção do motor. Registe o transitório. O esquema de ligações de um sistema completo de arranque por autotransformador encontra-se representado na figura. 14. D KM1 U V W N A B C R. térmico R S T A3 B3 C3 A2 B2 C2 A1 B1 C1 ab Circuito de comando OFF ON M 3~ KM2 KM3 D KM1 U autotransformador. V W N A B C R M 3~ R. térmico S T A sequência completa de manobras seria a seguinte: 1. Fecho manual do disjuntor D. 2. Fecho manual do contactor KM3, ligação estrela do autotransformador. 3. Fecho manual de KM2. Alimentação através do autotransformador. Arranque do motor com tensão reduzida. 5. Fecho de KM1, ligação final da máquina à rede. ab Circuito de comando OFF ON Figura 14: Arranque por autotransformador. Figura 13: Arranque por autotransformador. (simplificado) 4. Abertura de KM3. Eliminação da ligação estrela do autotransformador. Ligação através das reactâncias que constituem parte do 13

14 Figura 15 : Autotransformador para arranque da máquina de indução Utilização de arrancador suave Introduza o arrancador electrónico entre a placa de protecção do motor e o motor, figura 16. Ligue a alimentação do arrancador suave a uma tomada da bancada. Faça o arranque actuando no interruptor do arrancador electrónico (ON) e registe o transitório. Para fazer a paragem, actue de novo no mesmo interruptor passando-o para a posição OFF. D KM1 U V W N A B C R. térmico R S T Arrancador suave M 3~ ab Circuito de comando OFF ON Placa de protecção Figura 16: Arranque por arrancador suave. 14

15 4. - Ensaios da máquina de indução. 4.1 Introdução Nos ensaios efectuados neste segundo trabalho estudar-se-á o funcionamento da máquina assíncrona nas seguintes situações: vazio curto-circuito carga Com estes ensaios pretende determinar-se os parâmetros do esquema equivalente, as perdas, o rendimento e traçar as principais características do motor. 4.2 Ensaio em vazio Esquema de ligações O esquema de ligações da máquina de indução encontra-se na figura 17. V R S T N AT V3 V2 V1 A M 3~ W Figura 17: Esquema de ligações para os ensaios em vazio e com rotor bloqueado. AT: Autotransformador trifásico W: Wattímetro trifásico V: Multímetro A: Pinça multimétrica Ligue a máquina em estrela. Efectue o arranque da máquina aumentando progressivamente a tensão aplicada ao motor recorrendo ao autotransformador com regulação de tensão. Ligue o taquímetro de bancada. 15

16 Com a tensão aplicada à máquina num valor próximo do nominal, leia e registe os valores na tabela seguinte: V s (V) I s (A) P 1 (W) N (rpm) Pare a máquina reduzindo a tensão aplicada a zero. 4.3 Ensaio com o rotor bloqueado. Utilize as mesmas ligações do ensaio em vazio. Bloqueie o veio da máquina segurando-a com a mão, uma vez que o binário é reduzido. Eleve progressivamente a tensão aplicada à máquina até atingir a corrente nominal do primário (I N =4.9A). Registe os valores na tabela. V s (V) I s (A) P 1 (W) 16

17 4.4 Ensaio em carga O esquema de ligações da máquina de indução encontra-se representado na figura 18. U V W N A máquina de corrente D contínua vai funcionar como A B C Circuito de comando OFF gerador obrigando a máquina de indução a fornecer-lhe KM1 ON potência mecânica. ab R. térmico R S T Placa de protecção Wattímetro Arrancador suave Pinça Amp. Acoplamento mecânico As ligações para a máquina de corrente contínua encontram-se representadas na figura 19. Todos os voltí- M 3~ Máquina de corrente contínua metros e amperímetros indicados já se encontram instalados. Figura 18: Esquema de ligações da máquina de indução. R S T N AT V A Rectificador + Medidas + - C D V A A B R b Figura 19: Esquema de ligações da máquina DC para o ensaio em carga. A-B: Terminais do circuito induzido C-D: Terminais do circuito de campo 17

18 Rb: Resistência de carga ESSELTE STUDIUM colocada no ponto de resistência mínimo com as três fases em paralelo. Figura 20: Ligação da máquina DC que funciona como carga 1. Ligue a máquina em estrela. 2. Efectue as ligações relativas à máquina de indução (figura 18). 3. Efectue as ligações relativas à máquina de corrente contínua (figura 19). 4. Coloque os comutadores da resistência R b no valor correspondente à resistência mínima (comutadores em 7 e 56). Coloque o comutador na posição 220/127 V. 5. Ligue a alimentação do arrancador suave. 6. Ligue o taquímetro. 7. Ligue o disjuntor da bancada. 8. Faça o arranque da máquina de indução actuando na placa de protecção e depois no arrancador suave. 9. Ligue o ventilador da máquina. Varie a corrente de excitação da máquina de corrente contínua de forma a elevar a tensão DC gerada e assim aumentar a potência dissipada na resistência e por consequência submeter o motor de indução a cargas cada vez maiores. Deverá terminar o ensaio quando obtiver, aproximadamente, 5 A de corrente no estator da máquina de indução. 18

19 Os valores da tensão e da corrente aos terminais do induzido da máquina de corrente contínua (V dc e I dc ) deverão ser tomados como medidas auxiliares que irão permitir determinar o valor do binário e da potência mecânica fornecida pelo motor assíncrono. Leia e registe em cada ponto os valores da tabela seguinte: V s I s P 1 (V) (A) (W) n (rpm) V dc I dc (V) (A) Tenha em atenção os valores nominais da máquina que são: P N =2.2 kw; V N =400 V; N N =1420 rpm; η N =0,8; cosϕ N =0,82; I N =4.9 A; T N =15 Nm Os valores a calcular podem ser obtidos a partir das expressões (3). Vdc I T = 2π n 60 S = 3V I P1 cosϕ = S T 2π Pm = n 60 s s dc (3) Reduza a carga e desligue o motor assíncrono actuando no arrancador suave. Desligue o disjuntor de corrente alternada. Desligue o ventilador η = Pm P 1 19

20 Notas para o monitor: 1. Atenção aos ensaios que deverão ser feitos a 230V (composta). Neste caso o circuito de controlo dos contactores deverá ser alimentado com uma tensão composta pois a bobina do contactor é de 230V. 2. O arrancador suave é frágil. É fabricado com dispositivos de electrónica de potência. Não suporta curto-circuitos. 3. Antes da aula verifique se os ventiladores estão a funcionar correctamente. Verifique também o funcionamento dos conta rotações. 4. Configuração do osciloscópio TEKTRONIX: Trigger: (tipo: borda; Origem: CH1; Inclinação: Subida; Modo: Normal; Acoplamento: CC Aquire (Amostra; Médias - 4) CH1 Velocidade 500mV CH2 Corrente 100 mv Tempo 50 ms 20