Guia de Experimento Da Maquina de Indução 2014.2

Universidade Federal de Campina Grande

Centro de Engenharia Elétrica e Informática

Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica

Professor: LUIS REYES ROSALES MONTERO

LABORATÔRIO DE MÁQUINAS

GUIA DO EXPERIMENTO

Máquina de indução

Aluno:_________________________ TURMA:_____________

Campina grande,_____ de__________________ 201_

Guia de Laboratôrio - Máquina de Indução

1. Introdução

A análise preliminar para se entender o funcionamento de uma máquina elétrica trifásica deve ser começada pela compreensão do campo magnético girante, (produzido pelo fluxo de correntes no enrolamento polifásico de uma máquina CA Corrente Alternada).

O funcionamento de uma máquina de indução se dá devido à forma como estão distantes os enrolamentos das fases entre si, 120º elétricos no espaço e, as correntes que alimentam estas bobinas são equilibradas, isto é, tem a mesma amplitude também estão defasadas em 120º. Para as correntes temos:

Fixando a origem para o ângulo , medido ao longo da periferia do entreferro, no eixo da fase a por exemplo, para qualquer instante t, todas as 3 fases contribuem com a fmm (Força Magnetomotriz) do entreferro em qualquer . Para as fases a,b e c temos:

A Força Magnetomotriz resultante no ponto é:

Mas as amplitudes de fmm variam com o tempo de acordo com as variações das correntes. Assim com a origem do tempo arbitrariamente tomada no instante em que a corrente de a é um máximo positivo, temos:

Como as três correntes são equilibradas, temoste equação para fmm:

A onda descrita pela equação final acima é uma função senoidal do ângulo espacial . Ela tem uma amplitude constante e um ângulo de fase espacial que é uma função linear do tempo. O ângulo t provê a rotação da onda inteira ao redor do entreferro à velocidade angular constante .

Portanto, para um sistema bifásico, podemos concluir que como , teremos que

.

2


Abaixo segue o esquema das ligações das bobinas do estator para se obter um estator trifásico ligado em estrela para dois e quatros pólos.

Os motores de indução monofásicos são utilizados em aplicações de potência inferior aquelas dos motores trifásicos de uma ordem de frações de um cavalo.

Um motor monofásico apresenta a estrutura de base dada na Fig.3.4a. Nesta forma não há conjugado motor de partida, pois Fs, campo do estator é um campo pulsante estacionário:

(Fs = Fmax.Cos(wst)cos). De fato o valor de pico de Fs(Fmax.coswst) está sempre

alinhado na direção do eixo da bobina do estator e o valor de pico do campo do rotor, também pulsante, encontra-se alinhado na mesma direção segundo o eixo da bobina do rotor.

3

Fig.1


Fig.1.2 - Estruturas Equivalentes básicas de um Motor de Indução monofásico

Entretanto pode-se mostrar (pela decomposição de Fs em dois campos girantes de sentidos

opostos e de valor de pico Fmax/2) que se o motor é posto em marcha por um artifício qualquer, tem

origem um conjugado resultante no sentido do movimento do rotor (o torque proporcionado pelo campo girante no sentido do movimento supera o torque correspondente ao campo girante de sentido contrário).

Existem vários métodos para a partida de um motor de indução monofásico; um método bastante comum baseia-se na utilização de uma bobina auxiliar colocada no estator, em quadratura com a bobina monofásica original, por onde deve circular uma corrente adiantada (mais próxima de 90° possível) em relação aquela da primeira bobina. A justificativa deste procedimento encontra-se no fato de se obter uma estrutura de estator próxima a de uma máquina bifásica (bobinas estatóricas defasadas no espaço de 90° elétricos, alimentadas por duas correntes equilibradas do tipo: Imcos(wst) e Imsen(wst) que origina um campo girante do estator). Para a obtenção da corrente

adiantada da bobina auxiliar pode-se utilizar um capacitor em série com esta bobina (Fig. 1.2b).

2. Objetivos

Estudar as características de funcionamento da máquina de indução como gerador e motor.

Levantar os parâmetros da máquina de indução a partir das medidas obtidas experimentalmente dos

ensaios de circuito aberto e curto circuito, estudar a dinâmica de funcionamento e os diferentes tipos

de motores de indução.

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3 Equipamentos e Instrumentos Utilizados

o 1 Máquina assíncrona trifásica 4 pólos com rotor bobinado

o 2 varivolt;

o 2 fonte CC;

o 3 multímetros;

o 2 watímetros;

o 1 máquina CC com excitação serie e independente;

o 1 painel de cargas (lâmpadas);

o 1 medidor de rotações;

o fios e cabos.

4. Determinação dos parâmetros da máquina assíncrona funcionando

como Motor

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Figura 2 – Fonte de corrente contínua para medição das resistências dos enrolamentos.

A modo de comparação dos resultados obtenha por 3 métodos a resistência. A partir de

da aplicação de um sinal de tensão ao enrolamento do estator fase-neutro e fase-fase, e fase-fase no

rotor. Coloque os dados referenciados na teabela1. Obtenha os dados de resistência dos

enrolamentos utilizando um multímetro. Compare e comente os resultados obtidos por multímetro e

os obtidas diretamente da lei de Ohm e dos ensaios de circuito aberto e curto circuito.

Tabela 1 - Resistência dos enrolamentos.

Ligação do estator em delta

Ligação do rotor estrela

(Estator) (Rotor)

VFn (V) IFn (A) Rfn () Vr(V) Ir(A) Rr ()

Medida sobre uma fase 6.41 3 X X X

Medida entre fases 9.43 3.28 3.24 10

Medida diretamente com o multímetro 4.0 X X 1.1

Para determinar os parâmetros por fase do circuito equivalente da máquina assíncrona, faz-se necessário o ensaio de circuito aberto (motor em vazio) e o ensaio de curto circuito (rotor bloqueado).

Figura 3 – Diagrama elétrico para ensaio do motor de indução em vazio e de rotor bloqueado.

Realize os ensaio de rotor em vazio e rotor bloqueado e preencha as tabelas 2 e 3

Tabela 2 – Ensaio em Vazio Método dos wattímetros e multímetrosW1 (w) W 2 (W) I (A) Vnom (V)27*20 -(17*20) 4.04 220Tabela 3 – Ensaio com o rotor bloqueado Método dos wattímetros e multímetros

W1 (w) W 2 (W) I cc(nom) (A) V cc(V)92*5 -(28*5) 8.8 71

Tabela 4 – Ensaio em Vazio com rotor em abertoW1 (w) W 2 (W) I (A) V (V) Vrotor (V)25*20 -(21*20) 4.06 220 75,8

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Baseado nos ensaios de circuito aberto e de curto-circuito determine os valores dos parâmetros da máquina de indução, seguindo o exemplo abaixo.

2 2

2 22 2

:

379218,82

3 3I 2,54

380126,67

3 3218,82

86,152,54

126,6719,63

2,54

86,15 19,63 83

camedca ca

ca camed ca

catotalca ca

caca ca

ca

caca ca

ca

ca ca ca ca

Teste de circuito aberto

VV V V

I I A

WP P W

VZ Z

I

PR R

I

X Z R X ,88

2 2

2 22 2

:

381219,97

3 3I 2,54

460153,33

3 3219,97

86,602,54

153,3323,77

2,54

86,60 23,77 83,

ccmedcc cc

cc ccmed cc

cctotalcc cc

cccc cc

cc

cccc cc

cc

cc cc cc cc

Teste de curto circuito

VV V V

I I A

WP P W

VZ Z

I

PR R

I

X Z R X 27

7


s s

2 2

s smed s

2 cc s 2

m ca s m

22 2f m

ca s ca s f m f ca s2 2f m

Xcc 83,27X X 41,635

2 2Xcc 83,27

X ' X ' 41,6352 2

R R R 1,96

R ' R R 23,77 1,96 R ' 21,81

X X X 83,88 41,635 X 42,245

R XR R R R R X R R R X

R X

Cálculo dos parâmetros :

2m

2 ff f

f

f

0

R 22,829R 100,998R 31534,589 0

R 78,169

R 78,169

Obtenha as perdas no ferro e as perdas devido ao atrito, ventilação e perdas nas resistências dos enrolamentos a partir dos ensaios de circuito aberto e o rotor em aberto.

5. Ensaio da máquina de indução operando como transformador

Para determinar os parâmetros por fase do circuito equivalente da máquina assíncrona de uma forma mais precisa, faz-se necessário o ensaio de circuito do rotor em aberto (motor funcionando como transformador retire as ligações entre os terminais X, Y e Z conforme figura 3.1) para determinar as perdas elétricas e magnéticas e a relação de transformação das bobinas do estator e rotor.Compare os resultados das medições de potencia com o ensaio de circuito aberto (motor em vazio) para determinar perdas mecânicas envolvidas no eixo do motor.

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Figura 3.1 – Diagrama elétrico para ensaio do motor de indução com rotor bobinado.

5.1 Ensaio da máquina de indução invertida operando como Gerador de Frequência

variável

Para que a máquina de Indução funcione como transformador elevador ou Gerador de Frequência,

retire as ligações entre os terminais X,Y e Z conforme figura 3.1 e alimente o motor de indução

pelo rotor, retirado os cabos ligados a os terminais L1, L2 E L3 e ligue nos terminais X,Y e Z e

ajuste a tensão até a tensão nominal do estator. Finalmente acione o rotor do motor de indução

como um motor CC com excitação independente, observe que para fazer um gerador de frequência

de 120 Hz, seria necessário levar o motor cc à velocidade de 1800 rpm para um motor de 4 polos.

6 Ensaio com carga do motor de indução

Neste ensaio com carga é utilizada uma máquina síncrona funcionando como gerador com o

eixo acoplado ao motor de indução e ligue a um conjunto de cargas resistivas (lâmpadas de várias

potências). Esse esquema representa um gerador síncrono onde a força motora para girar o rotor é

proveniente do eixo do motor de indução.

Inicialmente pôs-se o motor de indução a girar a máquina síncrona em vazio (sem alimentar

nenhuma carga) e obtenha as medidas das correntes em uma das fases, obtenha as potências (pelo

método dos dois wattímetros) e meça a velocidade utilizando um tacômetro digital. Em seguida

adicione seqüencialmente as cargas ao gerador síncrono, mantendo a tensão terminal constante

através do sistema de excitação. Preencha as medições na tabela 6. A partir destas medições calcule

o escorregamento S, a velocidade em rpm, a potencia útil, o conjugado, a potência aparente (VA), a

potencia ativa total de entrada, a potência reativa (var), o rendimento, e o fator de potencia.

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Varivolt


Utilizando as seguintes equações preencha a tabela 6:

Wm(rps) = Wm(rpm)/60

We(rad/s) = Wm(rps)*2

S= [(Ws – Wm)/Ws]

Pag = Wtot – 3Rs(Imed)²

Pútil = (1 – S)Pag

Cútil = Pútil/We(rad/s)

F.P = Wtot/(380.Imed)

S = (3)½.380.Imed

Q = [(S)² - (P)²]½

Tabela 6 – Valores experimentais e calculados para o ensaio com carga

Tabela 6 – Ensaio com cargaImed

(A)W1

(W)W2

(W)Wentra

(W)Vel.

(rpm)Pag

(W)P útil

(W)C útil

(N.m)S

(VA)P

(W)Q

(var)N

(%)F.P

2,4 -(12*20) 32*20 17802,6 -(6*20) 38*20 17702,7 -(2*20) 42*20 17612,85 2*20 48*20 17523,1 8*20 52*20 17433,3 13*20 59*20 17343,6 18*20 65*20 17253,9 22*20 71*20 17164,3 27*20 79*20 17054,6 32*20 86*20 16955,2 37*20 94*20 1684*as células não preenchidas serão calculadas de acordo com as equações acima.

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Maquinade

indução

MaquinaSíncrona (gerador)

Quadro de

cargas

Varivolt Ponte retificadora

Setas vermelhas ligações elétrica

Setas pretas ligações mecânicas


Trace as curvas das grandezas do motor de indução com carga da tabela 6 em relação a velocidade.

6.1 Ensaio do motor de indução com carga e com correção do fator de potencia

Neste ensaio aproveite a montagem do ensaio 6, e insira um banco de capacitores para corrigir o

fator de potência do motor de indução.

Verifique a corrente e o fator de potencia do motor de indução e a corrente com e sim banco de

capacitor.

o Apresente o calculo do valor ótimo da potencia reativa do banco de capacitor do motor de

indução para um fator de potencia de 0.92 utilizando a potencia reativa do motor com carga

na velocidade nominal (1705), veja tabela 6.

7 Ensaio do gerador de indução

Neste ensaio é utilizada uma máquina CC funcionando como motor série com o eixo

acoplado ao gerador de indução, assim que a velocidade da máquina Série atinja 20% acima da

velocidade síncrona do Gerador Assíncrono, coloque medidores de tensão e corrente na saída do

gerador e ligue o banco de capacitores previamente carregados aos terminais do Gerador, note que o

gerador deve começar a gerar tensão, ajuste a velocidade do motor CC para que a tensão de saída

seja 220V, logo ligue o gerador a um conjunto de cargas resistivas (lâmpadas de várias potências)

aumentando a velocidade do motor CC a medida que da carga e diminua a medida que retira carga.

Esse esquema representa um gerador assíncrono onde a força motora para girar o rotor é proveniente

do eixo do motor de CC.

Inicialmente pôs-se o gerador de indução um capacitor entre as fases ou um conjunto de 3

capacitores, logo coloque a girar a máquina CC acima da velocidade síncrona e obtenha as medidas

das correntes em uma das fases, obtenha as potências e meça a velocidade utilizando um tacômetro

digital. Em seguida adicione seqüencialmente as cargas ao gerador assíncrono, mantendo a

velocidade constante através do motor CC.

Comente o experimento.

11

Capacitores de

excitação


8. Partida do Motor de Indução Monofásico com capacitor de partida

Neste ensaio o motor de indução monofásico será acionado por um varivolt cuja corrente será monitorada por um amperímetro CA. Verificar que o motor atinja uma velocidade razoável (valor típico de 75% de Ws), neste momento escute que uma chave centrífuga seja desligada, a qual

desconecta o conjunto bobina auxiliar de partida com capacitor, note que o motor passa a funcionar com uma só bobina e a corrente do motor baixa seu valor.

9 Motor de Indução Linear

Neste ensaio utiliza-se um motor de indução linear alimentado por um varivolts trifásico, variando a tensão observe o descolamento horizontal do motor linear montado sobre um cano de cobre, invertendo as fases observe a inversão do sentido de deslocamento do motor linear.

10 Conclusões

Apresente as suas considerações finais sobre o experimento.

11 – BIBLIOGRAFIA

[1] SEN, P. C. Principles of Electric Machines and Power Electronics, John Wiley & Sons, New York, 1989.

[2] FITZGERALD, A. E. & KINGSLEY Jr, Charles & KUSKO, Alexander, Máquinas Elétricas, McGraw-Hill do Brasil Ltda.

[3] CHAPMAN, S. J. Electric Machinery Fundamentals, 1ª ed., New York, McGraw-Hill, 1975.

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Maquinade

indução

MaquinaCC (turbina

eólica)

Quadro de

cargas

Varivolt Ponte retificadora

Setas vermelhas ligações elétrica

Setas pretas ligações mecânicas

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