Laboratórios de Sistemas Eléctricos e Electromecânicos

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1 Laboratórios de Sistemas Eléctricos e Electromecânicos Mestrado em Engenharia Mecânica Mestrado em Engenharia Aeroespacial Licenciatura de Engenharia Naval 2010/2011 DEEC Área Científica de Energia Prof. Gil Marques Profª Maria José Resende

2 Índice TRABALHO Nº1 - Leis de Kirchhoff, Potências e Diagramas Temporais de Tensão e Corrente...4 Objectivo dos ensaios...4 Placa de Ligações Base...4 Leis de Kirchoff...5 Lista de Material e Esquema de Ligações...5 Condução do ensaio...5 Verificação das leis de Kirchhoff (lei dos nós e lei das malhas)...6 Verificação do Princípio da conservação de energia...6 Análise de Diagramas Temporais de Tensão e de Corrente...7 Esquema de ligações...7 Lista de material...7 Condução do Trabalho...9 TRABALHO Nº2 Sistemas Trifásicos...12 Objectivos dos ensaios...12 Equipamento a utilizar...12 Instrumentos de medida...13 Parte I Carga ligada em estrela com neutro...14 Parte II Carga ligada em estrela sem neutro...15 Parte III Carga ligada em triângulo...15 Parte III Carga assimétrica...16 III-1. Regime monofásico com corrente pelo neutro...16 III-2. Regime bifásico com corrente pelo neutro...16 III-3. Regime monofásico sem corrente pelo neutro (sem condutor de neutro)...17 Fim dos ensaios...17 TRABALHO Nº3 Circuito Magnético Objectivo dos ensaios Equipamento a utilizar...18 Parte I Circuito magnético alimentado por fonte de tensão contínua...20 Ligações (Figura 6)...20 Condução do Ensaio...20 Parte II Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada Ligações (Figura 7)...22 Condução do ensaio...22 Parte III Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário...24 Ligações (Figura 9)...24 Condução do Ensaio...24 TRABALHO Nº4 Transformador Monofásico Objectivo dos ensaios Lista de Material Montagem dos componentes Ensaio do transformador em vazio Ligações (Esquema Figura 7)...28 Condução do ensaio Ensaio do transformador em curto-circuito...29 Ligações (Esquema Figura 8)...29 Condução do ensaio Transformador com carga simétrica...30 Ligações (Esquema Figura 9)...30 Condução do ensaio...31 TRABALHO Nº5 Máquina Assíncrona (ou de Indução) Objectivos Base teórica Material...35 Ligações do estator da máquina de indução...35 Placa de protecção do motor...36 Arrancador suave Ensaios...37 Ensaio em vazio...37 Ensaio rotor bloqueado...38 Ensaio em carga /40

3 REGRAS DE SEGURANÇA NO LABORATÓRIO O presente conjunto de regras tem como primeiro objectivo garantir a sua segurança e, em segundo, a integridade do equipamento que ANTES DE LIGAR A ALIMENTAÇÃO: 1. Nunca trabalhe sozinho no laboratório. é de todos. Ao longo de todo o seu trabalho, tenha sempre presente que ELECTRICIDADE PODE MATAR! 2. Antes de iniciar a montagem do equipamento necessário, verifique que a alimentação da bancada se encontra desligada. Note que existem na bancada um disjuntor de corrente contínua e outro de corrente alternada. 3. Inspecione visualmente o material que vai usar; cabos de ligação com o isolamento danificado ou bornes defeituosos, não devem ser usados. 4. Se desconhece a gama de variação das grandezas em jogo (tensões, correntes, potências) seleccione a escala de leitura mais ampla dos aparelhos de medida. 5. Se os seus cabelos são longos, prenda-os num "rabo de cavalo", principalmente se está a trabalhar com máquinas em movimento. 6. Mantenha a bancada livre de objectos desnecessários ao seu trabalho tais como cabos de ligação e equipamento que não foi usado, peças de vestuário, mochilas, etc. 7. Verifique as ligações e certifique-se de que não existem cabos com um terminal desligado. 8. Se estiver a usar um autotransformador directamente ligado à rede, verifique se este se encontra "fechado". DEPOIS DE LIGAR A ALIMENTAÇÃO: 1. Verifique as escalas de leitura e ajuste-as, se necessário. Repita este procedimento sempre que alterar as condições do ensaio (variação de carga, tensão de alimentação corrente). 2. Nunca altere as ligações do circuito com a alimentação ligada. 3. Restrinja os seus procedimentos aos indicados no guia de laboratório. As excepções a esta regra devem ser acompanhadas, pessoalmente, pelo professor da aula. 4. Evite tocar nas partes metálicas dos equipamentos. Caso verifique alguma anomalia, comunique-a ao seu professor. 5. Respeite os valores nominais dos equipamentos que está a utilizar. DEPOIS DE DESLIGAR A ALIMENTAÇÃO: 1. Desmonte com cuidado o material utilizado e arrume-o onde o encontrou. 2. Devolva ao professor o material que este, pessoalmente, lhe colocou à disposição. 3. Tenha em atenção que existem componentes que podem apresentar uma diferença de potencial aos seus terminais, mesmo quando a alimentação já foi desligada (caso dos condensadores). EM CASO DE ACIDENTE: 1. Mantenha a calma. 2. Não tente socorrer um colega que esteja em contacto com uma tensão; desligue imediatamente o disjuntor. 3. Em caso de incêndio, use os extintores colocados à sua disposição no laboratório.

4 TRABALHO Nº1 - Leis de Kirchhoff, Potências e Diagramas Temporais de Tensão e Corrente Objectivo dos ensaios Com este trabalho pretende-se que o aluno verifique laboratorialmente as Leis de Kirchhoff ("lei dos nós" e "lei das malhas"), a repartição de potência dissipada num circuito e observe os diagramas temporais de tensão e corrente aos terminais de uma resistência, bobine e condensador. Placa de Ligações Base As três montagens a realizar neste laboratório, têm por base uma placa de ligações de bancada, representada pelo seguinte circuito: Estas serão efectuadas através de diferentes ligações e introdução de diversos aparelhos de medida nesta placa base. 4/40

5 Leis de Kirchoff Lista de Material e Esquema de Ligações A I1 I 2 C I 3 R2 F Máx 30 V R3 R F R B Fonte de Alimentação Contínua (DC) DANICA SUPPLY TPS 21 ou Topward 6302 D Reóstato 35 Ω, 3 A ou 50 Ω, 5 A Pinça multimétrica Condução do ensaio 1 Coloque o cursor do reóstato numa posição qualquer, devendo, no entanto, evitar valores de resistência muito baixos (Porquê?). 2 Seleccione a escala de leitura dos aparelhos de medida para grandezas contínuas e comute igualmente para uma escala que lhe permita grande alcance, pois, à partida, desconhece os valores das intensidades de corrente que cada aparelho vai ler. Tenha em atenção que o sentido positivo da corrente é dirigido do terminal + para o terminal -. 3 Regule a fonte de alimentação até obter 30 V aos seus terminais; use a pinça amperimétrica como voltímetro DC 4 Leia e registe o valor das correntes. 5 Leia e registe o valor das tensões U AB, U AC e U CB 6 Repita o ensaio fazendo variar a posição do cursor do reóstato. Tenha em atenção a corrente máxima que cada reóstato pode suportar. 5/40

6 I 1 I 2 I 3 U AB U AC U R CB 1º ensaio 2º ensaio 3º ensaio Verificação das leis de Kirchhoff (lei dos nós e lei das malhas) 1 Verifique que os valores das 3 correntes cumprem a lei dos nós 2 Verifique que os valores das 3 tensões cumprem a lei das malhas 3 Através dos valores das correntes e das tensões, determine o valor da resistência R para cada um dos ensaios. Verificação do Princípio da conservação de energia 1 Verifique que a potência fornecida pela fonte ( U I Fonte Fonte ) é dissipada por efeito de Joule no somatório das 3 resistências ( I U I ) R 2. i i = i i 6/40

7 Análise de Diagramas Temporais de Tensão e de Corrente Esquema de ligações I1 I 2 I 3 Lista de material AT Auto transformador monofásico T Transformador de Isolamento Galvânico ASEA (230V:55V) Pinça multimétrica W Wattímetro PROVA CA 404 7/40

8 R Reóstato (35 Ω; 5A ou 50 Ω; 5A) L Carga indutiva (Bobina com núcleo de ferro) C Condensador Siemens de 94 mf (placa de bancada) Osciloscópio OS 250 (escalas 5 ms/cm e 5V/cm em ambos os canais) Sonda de corrente Caixa de transformadores de isolamento de sinal OFICEL 8/40

9 Condução do Trabalho 1. Verifique as ligações com a carga resistiva ligada. Mantenha o osciloscópio desligado e o autotransformador na posição "zero". Seleccione correctamente as escalas dos aparelhos de medida. 2. Através do autotransformador, aplique progressivamente, uma tensão de 24 V ao circuito. 3. Os aparelhos de medida que está a utilizar medem o valor eficaz das grandezas em jogo. Registe a leitura dos aparelhos de medida. I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] U Fonte [V] U [V] BC Determine o valor de R Verifique as leis de Kirchhoff. O que conclui? 4. Registe os valores medidos pelo wattímetro. P [W] Fazendo uso dos valores de tensão e corrente já medidos, determine o valor das potências aparente e reactiva absorvidas pela carga e do factor de potência. S [VA] Q [var] cos ϕ Verifique que P = U I cosϕ e que Q = U I sin ϕ 5. No osciloscópio, observe a tensão aos terminais da resistência R (pontos B e C do circuito) e a corrente que a percorre. Registe as curvas observadas: Comente a desfasagem entre as duas grandezas e represente o diagrama vectorial. 9/40

10 Desligue a alimentação do circuito. Repita os pontos anteriores, para carga indutiva. I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] U Fonte [V] U [V] BC Determine o valor de L Verifique as leis de Kirchhoff. O que conclui? Registe os valores medidos pelo wattímetro. P [W] Fazendo uso dos valores de tensão e corrente já medidos, determine o valor das potências aparente e reactiva absorvidas pela carga e do factor de potência. S [VA] Q [var] cos ϕ Verifique que P = U I cosϕ e que Q = U I sin ϕ Registe o andamento da tensão e corrente na carga indutiva Comente a desfasagem entre as duas grandezas e represente o diagrama vectorial. 10/40

11 Desligue novamente a alimentação do circuito. Repita os pontos anteriores, para carga capacitiva. I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] U Fonte [V] U [V] BC Verifique o valor de C Verifique as leis de Kirchhoff. O que conclui? Registe os valores medidos pelo wattímetro. P [W] Fazendo uso dos valores de tensão e corrente já medidos, determine o valor das potências aparente e reactiva absorvidas pela carga e do factor de potência. S [VA] Q [var] cos ϕ Verifique que P = U I cosϕ e que Q = U I sin ϕ Registe o andamento da tensão e corrente na carga capacitiva Comente a desfasagem entre as duas grandezas e represente o diagrama vectorial. 11/40

12 TRABALHO Nº2 Sistemas Trifásicos Objectivos dos ensaios Com este trabalho pretende-se que o aluno tenha um contacto directo com os sistemas trifásicos. Mais concretamente, que adquira os conceitos de tensão simples e tensão composta, de corrente na linha e de corrente na fase, ligação em estrela e ligação em triângulo, etc. Equipamento a utilizar Para a realização destes ensaios vai utilizar-se um sistema trifásico de tensões de valor abaixo dos 60V (tensão composta). Para o efeito, usa-se um transformador trifásico abaixador como o representado na Figura 1 (a) e com o primário e secundário ligados em estrela (Y-Y) tal como se representa na Figura 1 (b). (a) Figura 1 Transformador trifásico e esquema de ligações (b) O esquema representado na Figura 1 (b) é equivalente ao representado na Figura 1 (c) onde a ligação dos terminais A 1, B1 e C1 representa o neutro do primário e a ligação dos terminais a 1, b1 e c1 o neutro do secundário. (c) Figura 1 Esquema Transformador Y-Y 12/40

13 A aplicação deste sistema de tensões do secundário à carga, é feita através de um interruptor apropriado como se mostra na figura 2. No cabo deste interruptor, as fases estão identificadas pelos bornes vermelho, verde e amarelo e o neutro pelo azul. Figura 2: Interruptor para a aplicação da tensão Como cargas vai utilizar-se a montagem apresentada na figura 3. O valor de cada resistência é capacidade de dissipação de 200 W. 33 Ω com Cargas resistivas 33 Ω / 200 W 33 Ω / 200 W 33 Ω / 200 W Figura 3: Sistema de cargas resistivas Instrumentos de medida. Para a medida das tensões: Multímetro CENTER 120 Para a medida das correntes: Pinça multimétrica HIBOK 50 13/40

14 De modo a evitar temperaturas elevadas nas resistências deve desligar-se a carga depois de efectuadas as medições. Calcule o valor máximo da corrente a que as cargas podem estar sujeitas. Parte I Carga ligada em estrela com neutro 1. Efectue as ligações de acordo com a Figura 4. Figura 4: Esquema de ligações Carga em estrela 2. Ligue o disjuntor. 3. Feche o interruptor. 4. Meça os valores das tensões simples, tensões compostas, tensões nas fases da carga, correntes nas linhas e correntes na carga. (atendendo ao princípio de funcionamento da pinça amperimétrica, não efectue medições nas proximidades do transformador) Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga Ua Ub Uc Uab Ubc Uca ILa ILb ILc IN UFa UFb UFc IFa IFb IFc 5. Meça, em simultâneo, as 3 correntes de linha. O que conclui? Meça a corrente de neutro. O que conclui? 6. Desligue o disjuntor. Justifique os valores das grandezas medidas em função das relações teóricas que existem entre eles. 14/40

15 Parte II Carga ligada em estrela sem neutro 1. Efectue as ligações de acordo com a Figura 5. Figura 5: Esquema de ligações Carga em estrela Proceda como no ensaio anterior. Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga U a U b U c U ab U bc U ca I La I Lb I Lc I N U Fa U Fb U Fc I Fa I Fb I Fc Justifique os valores das grandezas medidas em função das relações teóricas que existem entre eles. Parte III Carga ligada em triângulo Figura 6: Esquema de ligações Carga em triângulo Ligue a carga em triângulo e proceda como no ensaio anterior. Meça os valores das tensões simples, tensões compostas e correntes. Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga U a U b U c U ab U bc U ca I La I Lb I Lc I N U Fa U Fb U Fc I Fa I Fb I Fc Verifique se está a exceder a potência máxima de dissipação das resistências. 15/40

16 Parte III Carga assimétrica III-1. Regime monofásico com corrente pelo neutro Efectue as ligações de acordo com o esquema da Figura 7. Proceda como nos ensaios anteriores. Figura 7: Esquema de ligações; sistema monofásico Meça as correntes e tensões. Justifique os valores obtidos. Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga U a U b U c U ab U bc U ca I La I Lb I Lc I N U Fa U Fb U Fc I Fa I Fb I Fc III-2. Regime bifásico com corrente pelo neutro Efectue as ligações de acordo com o esquema da Figura 8. Proceda como nos ensaios anteriores. Figura 8: Esquema de ligações; sistema bifásico 16/40

17 Meça as correntes e tensões. Justifique os valores obtidos. Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga Ua Ub Uc Uab Ubc Uca ILa ILb ILc IN UFa UFb UFc IFa IFb IFc III-3. Regime monofásico sem corrente pelo neutro (sem condutor de neutro). Efectue as ligações de acordo com o esquema da Figura 9. Proceda como nos ensaios anteriores. Figura 9: Esquema de ligações; sistema bifásico sem neutro Meça as correntes e tensões. Justifique os valores obtidos. Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga Ua Ub Uc Uab Ubc Uca ILa ILb ILc IN UFa UFb UFc IFa IFb IFc Fim dos ensaios Verifique que desligou o disjuntor. Desmonte e arrume todo o material utilizado. 17/40

18 TRABALHO Nº3 Circuito Magnético 1. Objectivo dos ensaios Com este trabalho pretende-se que o aluno adquira os conhecimentos básicos associados ao tema do circuito magnético. Entre estes incluem-se os conceitos de regime quase estacionário, de campo de indução magnética, de distribuição de campo no espaço, de dispersão e campo principal, de relutância magnética, de impedância, etc. 2. Equipamento a utilizar Para a realização deste trabalho foi construído o sistema que se apresenta na figura 1. Este é composto pelo núcleo magnético em forma de E, pela bobina com 400 espiras e pela armadura. Figura 1: Sistema para o estudo do circuito magnético. Fonte de tensão contínua Deve utilizar-se uma fonte de tensão contínua electrónica regulável com limitação de corrente. A gama de variação de tensão necessária é inferior a 5V. É necessário dispor também de uma fonte de tensão constante e estabilizada de 5V para a alimentação da sonda de campo de indução magnética. Ambas as funções estão presentes no mesmo aparelho electrónico. Recomenda-se a utilização da fonte Danica TPS21 (Figura 2). Figura 2: Fonte de tensão DC Antes de ligar a fonte deve ter o cuidado de colocar o seu cursor na posição zero e aumentar lentamente o valor da corrente. De igual modo, quando acabar as medidas, deve regular a corrente para zero actuando no cursor e só depois deve desligar a fonte. 18/40

19 Fonte de tensão alternada Como fonte de tensão alternada vai utilizar-se um autotransformador com regulação de tensão em carga monofásico com tensão de saída ajustável entre os 0 e 110V (Figura 3). Antes de fazer as ligações deve ter o cuidado de colocar o cursor do autotransformador na posição zero. Sistemas de medida Figura 3: Autotransformador Monofásico 1. Amperímetro electromagnético 0-5A 2. Multímetro CENTER Sonda de efeito Hall SS490 para a medição do campo B. Esta sonda é dotada de quatro terminais (Figura 4). Entre o terminal vermelho (+) e o branco (-) deverá ser aplicada uma tensão de alimentação DC de 5V. A tensão de saída é medida entre o terminais azul e verde. Esta tensão é função do campo B onde se encontra a sonda segundo a relação da figura 5. Figura 4: Sonda de efeito Hall Característica da sonda B [mt] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 V [V] [ ] = 32 V[ V ] 80 B mt Figura 5: Relação entre o campo B medido e a tensão à saída da sonda. Osciloscópio 19/40

20 Parte I Circuito magnético alimentado por fonte de tensão contínua. Ligações (Figura 6) Introduza a bobina no núcleo, ligue-a à fonte de tensão regulável (0-30V e 2A) e alimente-a de modo a circular a corrente indicada em cada um dos casos seguintes. Alimente a sonda de efeito de Hall através da fonte 5V-3A e ligue a sua saída a um voltímetro ou multímetro (Figura 6). Figura 6: Esquema de ligações Bobine alimentada em DC. Condução do Ensaio Ligue a fonte DC. Nas três situações seguintes meça o valor do campo de indução magnética em vários pontos do espaço, usando um multímetro à saída da sonda. Regule cada valor de corrente na bobine através do botão Curr Adj da fonte DC. Verifique que a armadura é atraída pelo núcleo. Situação A Núcleo magnético aberto (sem armadura) I=1A Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm 20/40

21 Situação B Circuito magnético com 1 cm de entreferro I=1A Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm Situação C Circuito magnético com 2 mm de entreferro I=0,5A Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm Verifique que este campo de indução B é proporcional à corrente da bobina; varie o valor da intensidade da corrente na bobine (através do botão Curr Adj da fonte DC) e meça o valor do campo na coluna central. O circuito magnético deverá ter um entreferro de 1 cm. I [A] U na sonda [V] B [mt] 1 0,75 0,5 0,25 0 Desligue a fonte DC. 21/40

22 Parte II Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada. Ligações (Figura 7) Alimente a bobine usando o autotransformador (Figura 7). Figura 7: Esquema de ligações Bobine alimentada em AC. Mantenha a alimentação da sonda de efeito de Hall através da fonte DC (5V-3A). Ligue a saída da sonda a um dos canais do osciloscópio, de forma a visualizar a forma de onda da tensão de saída. O acoplamento deste canal deverá ser CC. (Figura 8). Condução do ensaio Figura 8: Ligações da sonda de efeito de Hall Bobine alimentada em AC. Verifique que o auto-transformador está a zero; ligue o disjuntor e a fonte DC. Retire a armadura do circuito magnético. Através do auto-transformador, ajuste a corrente na bobine para 1 A Coloque e retire a armadura. Verifique as alterações no valor da corrente. Justifique as observações. Verifique que existe uma força que se exerce sobre a armadura. Justifique a vibração sentida. Para as três situações da alínea anterior ajuste a corrente da bobine ( I L ) para o valor indicado, fazendo variar a tensão aplicada pelo autotransformador. Anote o valor da tensão do voltímetro ( U L ) e calcule a impedância da bobine ( Z L ) em cada um dos casos. Meça o campo no entreferro nos mesmos locais. A medida do pico da tensão da sonda deverá ser feita usando o osciloscópio. 22/40

23 Situação A Núcleo magnético aberto (sem armadura) (I=1A) U L = I L = 1 A Z L = ωl = Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm Situação B Circuito magnético com 1 cm de entreferro (I=1A) U L = I L = 1 A Z L = ωl = Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm Situação C Circuito magnético com 2 mm de entreferro (I=0,5A) U L = I L = 0, 5 A Z L = ωl = Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mt] Centro de coluna lateral Junto à fronteira da coluna central Centro de coluna central Junto à fronteira da coluna lateral No exterior a 1 cm Desligue o disjuntor e a fonte DC. 23/40

24 Parte III Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário Ligações (Figura 9) Enrole 4 espiras de cabo isolado sobre a bobina. Introduza um voltímetro aos terminais deste cabo. O circuito magnético deverá ter um entreferro de 2 mm. Figura 9: Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário. Condução do Ensaio Verifique que o auto-transformador está a zero; ligue o disjuntor AC. Variando a tensão aplicada à bobina através do autotransformador, U 1, (não ultrapasse 25 V), meça a tensão aos terminais do enrolamento de 4 espiras, U 2. U 1 [V] U 2 [V] U 1 / U 2 Calcule a relação entre estas duas tensões, U 1 e U 2. Com base nesta relação, determine o número de espiras da bobine, N 1. Desligue o disjuntor. Arrume todo o material que utilizou. 24/40

25 TRABALHO Nº4 Transformador Monofásico 1. Objectivo dos ensaios Este trabalho destina-se a dar aos alunos uma visão clara do transformador monofásico, através dos ensaios em vazio, curto-circuito e carga resistiva. O trabalho aqui proposto deverá ser executado por um número restrito de alunos supervisionado por um professor. Dado o nível elevado das tensões em jogo, deverão os alunos proceder com o máximo cuidado de modo a evitarem choques eléctricos que poderão ter consequências graves. 2. Lista de Material Transformador monofásico OFICEL (1 kva) a) Esquema. B) Fotografia Figura 1: Transformador monofásico didáctico. O primário é constituído por um enrolamento de 1 kva e que suporta 230V o que permite concluir que a corrente nominal deste enrolamento é = 4,3 A. O secundário é constituído por quatro enrolamentos com igual número de espiras. Cada um destes dois enrolamentos tem o valor nominal de tensão de 58V e uma potência de 250 VA o que permite concluir que a corrente nominal de cada um destes enrolamentos é = 4,3 A. Os enrolamentos estão protegidos por fusíveis o que apenas protege curto-circuitos. o transformador contra Pelo facto de o transformador apresentar 4 enrolamentos no secundário, permite diferentes configurações adaptadas a diversas características da carga, como se exemplifica na Figura 2. 25/40

26 58 V 4,3 A 250 VA 230 V 1,1 A 250 VA (a) (b) (c) (d) Figura 2: Possíveis configurações do transformador monofásico. Usando apenas um enrolamento do secundário (Figura 2-a) a potência do transformador fica limitada pela potência nominal do enrolamento secundário. Ligando em série os 4 enrolamentos do secundário (Figura 2-b), adicionam-se as tensões de cada um deles ( 4 58 V ). Se os 4 enrolamentos forem ligados em paralelo (Figura 2-c) aumenta-se a corrente que pode circular no secundário ( 4 4,3 A ) mas a tensão disponível é a correspondente a apenas um enrolamento. A Figura 2-d representa uma configuração possível do transformador elevador (tensão do secundário superior à do Primário) utilizando 2 enrolamentos da Baixa tensão. Como exercício, refaça os cálculos de tensões correntes e potência representados na Figura Resistência de carga trifásica OFICEL É constituída por um conjunto de resistências cujo valor pode ser regulado através de três comutadores. Figura 3: Fotografia da resistência de carga. 26/40

27 2.3. Autotransformador com regulação de tensão em carga Sistemas Eléctricos e Electromecânicos - Guias de Laboratório 2010/2011 Durante os ensaios, deverá aplicar-se a tensão ao transformador de uma forma suave e progressiva. Para isso utiliza-se um autotransformador com regulação de tensão em carga. Sempre que ligar o disjuntor que alimenta o autotransformador, deverá certificar-se que o cursor deste último se encontra na posição zero. Esta medida deverá ser especialmente verificada quando realizar o ensaio em curto-circuito Pinça multimétrica Figura 4 Autotransformador Para evitar a necessidade do uso de muitos amperímetros e voltímetros optou-se pela utilização de uma pinça multimétrica que permite medir a tensão e a corrente eléctrica sem necessidade de desligar o circuito. Uma vez que esta pinça utiliza o campo magnético para a medição da corrente, não a deverá aproximar demasiado do transformador para não introduzir erros de medição Wattímetros Atendendo aos valores de corrente, deverão ser usados dois wattímetros. Para o ensaio em vazio utilize o wattímetro C.A 404 numa escala de corrente de 0,5 A (Figura 4-a) Nos ensaios em curto-circuito e em carga utilize o wattímetro C.A 405 na escala de corrente 5 A. A sua utilização, nos ensaios em vazio e em curto-circuito, visa a decomposição da impedância complexa em parte real e parte imaginária. Figura 5a: Wattímetro C.A 404 Figura 5b: Wattímetro C.A Montagem dos componentes O transformador a ensaiar será o representado esquematicamente na Figura 2-d e reproduzido na Figura 6. 27/40

28 Figura 6: Esquemas do transformador monofásico 116V/230V. Ligue dois dos enrolamentos de 58V em série. A alimentação do transformador será efectuada através deste enrolamento de 116V que, por isso, será denominado de primário. O secundário será o enrolamento de 230 V. As características nominais deste transformador elevador estão resumidas na tabela seguinte. Tabela 1: Valores nominais do transformador monofásico 116V/230V. Primário Secundário S N = 500 VA U1 N = 116 V U 2 N = 230 V I1 N = 4, 3 A I2 N = 2, 15 A Os valores nominais não deverão ser ultrapassados em nenhum dos ensaios. 4. Ensaio do transformador em vazio. Ligações (Esquema Figura 7) Figura 7:Ensaio em vazio - esquema de ligações. 28/40

29 Alimente o enrolamento primário (116V) através do autotransformador com regulação de tensão em carga e utilize a pinça multimétrica e o multímetro de modo a poder medir as correntes e as tensões no primário e secundário. Ligue o wattímetro CA 404 de modo a poder medir a potência absorvida. Condução do ensaio Actuando no autotransformador aplique a tensão nominal (116 V) ao enrolamento primário do transformador. Experimente aproximar e afastar a pinça multimétrica do transformador, para constatar os erros referidos no ponto 2.4 deste guia. Leia e registe os valores das tensões e correntes no primário e secundário. Valores Medidos Tabela 2: Valores do ensaio em vazio. Tensões [V] Correntes [A] Potência Activa [W] Valores Calculados U 1 o = I 1 o = P 1 o = S o = R m = U 2 o = I 2 o = P 2 o = ϕ o = X m = 5. Ensaio do transformador em curto-circuito Ligações (Esquema Figura 8) Troque o Wattímetro pelo CA 405 Curto-circuite as fases do secundário. Figura 8:Ensaio em curto-circuito - esquema de ligações. 29/40

30 Condução do ensaio Este ensaio vai ser efectuado com tensão reduzida. Verifique que o autotransformador está na posição zero. Ligue o disjuntor de corrente alternada Aumente muito ligeiramente a tensão de alimentação até atingir os valores nominais da corrente ( I1 N = 4, 3 A e I2 N = 2, 15 A ). Leia e registe os valores das tensões e correntes no primário e secundário. Tabela 3: Valores do ensaio em cuto-circuito. Valores Medidos Valores Calculados Tensões [V] Correntes [A] Potência Activa [W] U 1 cc = I 1 cc = P 1 cc = S cc = R cc = U 2 cc = I 2 cc = P 2 cc = ϕ cc = X cc = 6. Transformador com carga simétrica Ligações (Esquema Figura 9) Figura 9:Ensaio em carga - esquema de ligações. Ligue em série duas das 3 resistências da carga Oficel referida no ponto 2.2 Verifique que os comutadores A1, A2 e A3 se encontram na posição zero o que equivale a circuito do secundário em aberto, carga mínima no transformador. R =, isto é, Ligue a série de 2 resistências de carga ao secundário do transformador. Mantenha o wattímetro introduzido no primário. 30/40

31 Condução do ensaio Verifique que o autotransformador está na posição zero. Ligue o disjuntor. Aumente progressivamente a tensão no autotransformador até aplicar 116 V ao primário. Actue nos comutadores A1, A2 e A3 para ir diminuindo a resistência, isto é, aumentando a carga do transformador. Não ultrapasse os valores nominais de corrente, ( I1 N = 4, 3 A e I2 N = 2, 15 A. Registe os valores das grandezas indicadas na tabela. Tabela 3: Valores do ensaio em cuto-circuito. A 1 A 2 A 3 U 1 [V] I 1 [A] P 1 [W] U 2 [V] I 2 [A] Elabore os seguintes gráficos: Tensão do secundário em função da corrente do secundário. Quanto vale a queda de tensão interna no ponto de funcionamento nominal? Corrente do primário em função da corrente do secundário. Rendimento em função da corrente do secundário. 31/40

32 TRABALHO Nº5 Máquina Assíncrona (ou de Indução) 1. Objectivos Os objectivos principais deste trabalho são: efectuar os ensaios que permitam a determinação dos parâmetros do esquema equivalente da máquina de indução. verificar as características de funcionamento normal com carga mecânica variável. A máquina que vai ensaiar apresenta os seguintes valores nominais: P N = 2,2 kw ; U N = 400 V ; N N = 1420 rpm ; η N = 80% ; cos ϕ N = 0, 82 ; I N = 4, 9 A ; M N = 15 Nm 2. Base teórica A máquina de indução de rotor em gaiola, 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 ou em curto-circuito). Os enrolamentos do estator são percorridos 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: N s N s = (2) N s O escorregamento relativo contêm a mesma informação que a velocidade, mas revela-se mais apropriado para o estudo desta máquina. O comportamento destas máquinas em regime transitório rege-se por um sistema de equações diferenciais não lineares e variantes no tempo. Este estudo será efectuado em disciplinas posteriores. 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. 32/40

33 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. A corrente do estator I s é dada pela soma (fasorial) da corrente de magnetização Im (quase indutiva pura e de amplitude constante) com a corrente equivalente do rotor Ir que depende fortemente do escorregamento. Is/I N 6 Ir/I N T/T N 0 F P 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 O valor da resistência fictícia Rr 1 s = Rr + Rr determina o comportamento s s desta máquina. Uma vez que o valor da resistência do rotor Rr é relativamente baixo, só se obterão valores de correntes razoáveis com escorregamentos s baixos, próximos de zero, de modo a que a resistência Rr/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 características 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. 33/40

34 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. 1.2 Características 1 η Is, T, Fp,s, η Fp Is T s Pu/PN Figura 3: Andamento do escorregamento, 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. 34/40

35 U 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) 3. Material Ligações do estator da máquina de indução Os 6 terminais das três fases do estator da máquina de indução encontram-se dispostos da forma representada na figura 4a). As ligações em estrela (figura 4b) ou em triângulo (figura 4c) são fáceis de efectuar. Para se efectuar em ligação em estrela basta ligar os terminais Z-X-Y com dois cabos 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 4a) Disposição 4b) 4c) Figura 4: 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. 35/40

36 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 6), for alimentada com uma tensão alternada de 230V, faz fechar D KM1 U V W N A B C R. térmico R S T 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. No início os contactos estão abertos. Pressionando o botão ON (fig. 5 e fig. 6) 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. Interrompendo a corrente da bobina, uma mola faz abrir os contactos e desliga-se assim o motor. ab Circuito de comando OFF ON Figura 6: Esquema eléctrico da placa de protecção. Figura 5: Placa de protecção do motor Arrancador suave O arrancador suave é um dispositivo electrónico que permite reduzir as correntes de arranque solicitadas à rede. Figura 7: Arrancador suave. 36/40

37 4. Ensaios Nos ensaios efectuados neste trabalho estuda-se o funcionamento da máquina assíncrona nas seguintes situações: vazio. curto-circuito (bloqueada). carga. Com estes ensaios pretende determinar-se os parâmetros do esquema equivalente, as perdas, o rendimento e traçar as principais características de funcionamento como motor. Ensaio em vazio Ligue o estator da máquina em estrela. Efectue as ligações representadas no esquema da figura 8. Figura 8: Esquema de ligações para os ensaios em vazio e de rotor bloqueado. AT- Auto transformador Trifásico W Wattímetro trifásico Ligue o taquímetro de bancada. Ligue o disjuntor de bancada. Verifique que a escala das sondas de corrente do wattímetro se encontram no valor 10 A. Efectue o arranque da máquina aumentando progressivamente a tensão aplicada ao motor recorrendo ao autotransformador com regulação de tensão. Com a tensão aplicada à máquina num valor próximo do nominal (400 V), leia e registe os valores de tensão, corrente, potência trifásica absorvida e velocidade, na tabela seguinte. U s (V) I s (A) P 1 (W) N (rpm) Pare a máquina reduzindo a tensão aplicada a zero. 37/40

38 Ensaio rotor bloqueado O estator da máquina deverá estar ligado em estrela. 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, 9 A ). Registe os valores de tensão, corrente e potência trifásica absorvida, na tabela. U s (V) I s (A) P 1 (W) Ensaio em carga O ensaio em carga da máquina assíncrona será efectuado com recurso a uma máquina de corrente contínua que já se encontra acoplada à máquina assíncrona; a máquina de corrente contínua vai funcionar como gerador obrigando a máquina de indução a fornecer-lhe potência mecânica. A energia gerada pela máquina de corrente contínua será dissipada em calor na resistência R b. Para que seja induzida uma tensão terminais da máquina DC, é necessário que o enrolamento CD seja alimentado por uma tensão contínua (obtida pela rectificação da tensão de saída do autotransformador). Ligue o estator da máquina de indução em estrela. Efectue as ligações do sistema global, representadas no esquema da figura 9. A figura 10 representa um esquema mais pormenorizado das ligações da máquina de corrente contínua. VDC aos E. ELÉCTRICA E. MECÂNICA ELÉCTRICA Figura 9: Esquema de ligações para o ensaio em carga. 38/40

39 Figura 10: Esquema de ligações da máquina DC para o ensaio em carga. A-B: Terminais do circuito induzido C-D: Terminais do circuito de campo Rb: Resistência de carga OFICEL Coloque os comutadores da resistência R b Carga Trifásica Resistiva no valor correspondente à resistência mínima (A1 em 5; A2 em 5 e A3 em 5). Coloque as 3 fases e a Carga resistiva paralelo. 12 Ω, 1000 W todas em Ligue a alimentação do arrancador suave. Ligue o taquímetro. Ligue o disjuntor da bancada. Figura 11: Resistência de carga, Rb, do gerador DC. Faça o arranque da máquina de indução actuando na placa de protecção e depois no arrancador suave. Ligue o ventilador da máquina. Eleve a tensão do autotransformador até obter 5 A de corrente no estator da máquina de indução (corrente nominal). Vá baixando o autotransformador de forma a baixar a corrente resistência Rb) de 2 em 2 amperes até atingir o ponto de vazio (corrente I DC nula). I DC (corrente que percorre a Leia e registe em cada ponto os valores da tabela seguinte. 39/40

40 U s (V) I s (A) P 1 (W) 5 N (rpm) U DC (V) I DC (A) 0 Tenha em atenção os valores nominais da máquina que são: P N = 2,2 kw ; U N = 400 V ; N N = 1420 rpm ; η N = 80% ; cos ϕ N = 0, 82 ; I N = 4, 9 A ; M N = 15 Nm Os valores a calcular podem ser obtidos a partir das expressões seguintes. ( U dc + 2I dc ) I dc M = S = 3 V s I s 2π N 60 P 1 M 2π cos ϕ = P m = n S 60 P η = m P 1 Reduza a carga (autotransformador fechado) e desligue o motor assíncrono actuando na placa de protecção. Desligue o disjuntor de corrente alternada. Desligue a alimentação do arrancador suave. Arrume todo o material que utilizou. 40/40