ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MARÍTIMA M422 - SISTEMAS E INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE NAVIOS TRABALHO LABORATORIAL Nº 3 ENSAIO DE UMA MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA Por: Prof. José Dores Costa Prof. Luis Baptista E.N.I.D.H. - 2010/2012
ÍNDICE ENSAIO DE UMA MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA... 2 1. INTRODUÇÃO... 2 2. ENSAIO DO MOTOR EM VAZIO... 3 2. ENSAIO DO MOTOR COM O ROTOR BLOQUEADO... 3 3. ESQUEMA EQUIVALENTE... 4 4. ENSAIO DA MÁQUINA ASSÍNCRONA EM CARGA... 5 5. RELATÓRIO FINAL... 7 ENIDH/DEM MEMM 1
TRABALHO LABORATORIAL Nº 3 ENSAIO DE UMA MÁQUINA ASSÍNCRONA TRIFÁSICA 1. INTRODUÇÃO Com este trabalho pretende-se: 1. Determinar os parâmetros do circuito eléctrico equivalente de uma máquina de indução trifásica com o rotor em gaiola através dos ensaios em vazio e com rotor bloqueado; 2. Ensaiar a máquina assíncrona em carga e comparar os resultados obtidos experimentalmente com aqueles calculados a partir do circuito elétrico equivalente. O circuito equivalente de uma das fases da máquina de indução (máquina assíncrona), em regime estacionário (com velocidade constante) está representado na Fig. 1. Fig. 1: Circuito equivalente/fase da máquina assíncrona. Na Fig. 1, R 1 representa a resistência efectiva (resistência em AC) de um enrolamento do estator; X 1d representa a reactância de dispersão desse enrolamento; X m representa a reactância de magnetização associada ao campo girante; R Fe é a resistência equivalente das perdas no ferro;r 2 representa a resistência efectiva de um enrolamento do rotor e X 2d representa a reactância de dispersão desse enrolamento. A bancada dos ensaios está esquematizada na Fig. 2. Ligue os enrolamentos do estator motor de indução em estrela. Na entrada, utiliza-se um analisador multifunções (amperímetro, voltímetro, fasímetro e wattímetro). Na unidade de controlo do servomotor são lidas a velocidade de rotação e o binário mecânico. Estas duas grandezas são ajustáveis. Antes dos ensaios, registe os valores nominais do motor de acordo com a placa sinalética e o modo de ligação dos enrolamentos do estator do motor assíncrono. Com um ohmímetro, meça também a resistência dos enrolamentos do estator do motor: R e = ENIDH/DEM MEMM 2
Fig. 2: Ensaio do motor em vazio. 2. ENSAIO DO MOTOR EM VAZIO Com este ensaio pretende-se determinar os valores de X m e R Fe para a tensão e frequência nominais do motor. Para isso, o motor é colocado a rodar em vazio alimentado à tensão nominal, após o que se registam os valores da Tabela 1: Corrente na linha, I [A] Tabela 1: Resultados experimentais com o motor em vazio. Tensão simples, V s [V] Potência, P [W] FP cos N [rpm] s [%] 2. ENSAIO DO MOTOR COM O ROTOR BLOQUEADO Com este ensaio, pretende-se determinar X 1d, X 2d e R 2. O ensaio deve ser realizado com rapidez para evitar o sobreaquecimento da máquina, porque com o rotor bloqueado (curtocircuito do circuito da Fig. 1) não existe ventilação forçada do motor. O veio do motor é bloqueado (manualmente, por exemplo). O motor é alimentado através dum auto-transformador trifásico, Fig. 3, cuja tensão deve ser aumentada progressivamente, a partir de zero, até que a corrente nos enrolamentos do estator atinja o seu valor nominal I=I N. Nesta situação, registe rapidamente os valores das grandezas da Tabela 2. ENIDH/DEM MEMM 3
Fig. 3: Ensaio com o rotor bloqueado. Corrente na linha, I [A] Tabela 2: Resultados experimentais com o rotor bloqueado. Tensão simples, V s [V] Potência, P [W] FP cos N [rpm] s [%] Após efetuar a leitura dos valores, solte o rotor e deixe o motor a rodar para ventilar um pouco. Reduza em seguida a tensão de alimentação gradualmente até zero. O motor deve parar. Desligue então a alimentação. 3. ESQUEMA EQUIVALENTE Tendo em consideração os valores obtidos e os cálculos efetuados para obter os parâmetros do circuito elétrico equivalente da máquina, responda às seguintes questões: 1. A potência absorvida pela máquina em vazio é praticamente igual às perdas no ferro (porquê?). 2. A potência absorvida pela máquina com o rotor bloqueado é praticamente igual às perdas no cobre do estator e do rotor (porquê?). 3. A partir dos valores experimentais das tabelas 1 e 2, determine: a. a resistência equivalente total do estator e rotor. b. Tendo em conta a resistência dos enrolamentos do estator, estime o valor da resistência rotórica. c. Com base nos resultados experimentais dos ensaios, obtenha os valores de X 1d +X 2d, X m e R Fe. Com base nos resultados experimentais determine o esquema equivalente por fase da máquina assíncrona (ver Fig. 1). ENIDH/DEM MEMM 4
4. ENSAIO DA MÁQUINA ASSÍNCRONA EM CARGA As máquinas assíncronas são normalmente utilizadas como motores mas podem também funcionar como geradores. Por exemplo, são utilizadas em sistemas baseados em energias renováveis (eólicos, mini-hídricos), no aproveitamento de biogás, hidrogénio e vapor. As máquinas assíncronas funcionam como geradores quando o escorregamento é negativo, isto é, quando giram a uma velocidade superior à de sincronismo. O objectivo desta parte do trabalho é evidenciar o funcionamento em carga duma máquina assíncrona com o rotor em gaiola, registar valores para diferentes regimes de carga e compará-los com os calculados através do circuito eléctrico equivalente. O sistema a usar nos ensaios está representado na Fig. 2. Um servomotor com controlo de velocidade e binário é utilizado como carga da máquina assíncrona. Para velocidades menores que a de sincronismo, o servomotor comporta-se como uma carga no veio do motor assíncrono. Se a velocidade for superior à de sincronismo, o servomotor arrasta a máquina assíncrona e esta funciona como gerador. O sistema contém uma unidade de controlo de uma máquina assíncrona trifásica com um sensor de velocidade (resolver) integrado no equipamento (Fig.4). Fig.4. Máquina assíncrona trifásica existente na bancada de ensaios (Lucas-Nulle). O sistema fornecido pela Lucas-Nulle é gerido por um microprocessador de elevado desempenho. A unidade opera para máquinas de potência compreendida entre 300 W e 1 kw, e pode operar nos quatro quadrantes, isto é, pode arrastar (drive) ou travar (brake) um motor assíncrono para todos os modos de funcionamento. A velocidade e o binário são calculados pela unidade e apresentados através de mostradores analógicos. O sistema dispõe de um amplificador de isolamento que permite gravar as variáveis de tensão e corrente da máquina sujeita a teste, para posterior tratamento de dados. Para além das condições de arrastamento e travagem puras, estão disponíveis seis modelos pré-programados de cargas industriais. Os parâmetros dos modelos de cargas podem ser ajustados, relativamente a: Elevador; Calandra; Ventilador/bomba; Winding machine drive ; Inércia (Ex: volante de uma máquina rotativa); Compressor de ar alternativo (de êmbolo). ENIDH/DEM MEMM 5
A Fig.4 ilustra a unidade de controlo da máquina assíncrona trifásica existente no laboratório. Fig.4. Unidade digital de controlo de motores assíncronos. TRABALHO A REALIZAR Com base na placa sinalética do motor assíncrono, determine os seguintes valores nominais: velocidade de sincronismo: rpm Número de pares de pólos: potência nominal: W corrente nominal: A binário mecânico no veio Nm O sistema a usar nos ensaios é o da Fig. 2. Devem ser obtidos resultados para valores do escorregamento, s, positivos e negativos. Ligue o motor para ser alimentado em estrela. NOTA: se utilizar um wattímetro analisador de redes, ligue as sondas de corrente e de tensão respeitando a correcta sequência de fases. Ligue a bancada e arranque com o motor em vazio. Gradualmente, aumente o binário de carga do servomotor até atingir a velocidade nominal a plena carga e, para diferentes velocidades, tome nota dos valores das grandezas da Tabela 3. Tabela 3-A: Resultados do ensaio do motor em carga (s positivo) T [Nm] N [rpm] P [W] I linha [A] cos s [%] [%] - rendimento ENIDH/DEM MEMM 6
Tabela 3-B: Resultados do ensaio do motor em carga (s negativo) T [Nm] N [rpm] P [W] I linha [A] cos s [%] η [%] Para cada valor de carga, calcule a potência mecânica no veio e o rendimento. Sendo s o escorregamento, organize os resultados experimentais apresente os gráficos correspondentes a T(s), P(s), I(s), cos (s) e (s). Comente e justifique os resultados. Com base no circuito eléctrico equivalente, calcule os valores nominais da máquina para os regimes permanentes de carga da Tabela 3. Organize os resultados calculando os seguintes valores para cada situação de carga: escorregamento, s potência aparente, S potencia activa, P potencia reactiva, Q binário electromagnético, T ag potência no entreferro, P ag corrente de magnetização, I sen() I m perdas por efeito de Joule no estator perdas no ferro e mecânicas corrente no estator, I s rendimento da máquina assíncrona,. Compare os valores obtidos com os valores experimentais e comente os resultados. 5. RELATÓRIO FINAL O relatório a apresentar deverá apresentar os cálculos teóricos de validação dos valores obtidos experimentalmente para os ensaios anteriormente descritos. Para cada ensaio, deverão ser justificadas as discrepâncias verificadas entre os valores teóricos e experimentais. Recomenda-se a realização dos cálculos e gráficos no Matlab. O relatório dever conter em anexo a listagem dos comandos em Matlab utilizados para efetuar os cálculos. ENIDH/DEM MEMM 7