Universidade Técnica de Lisboa - Autenticação · Os 6 terminais das três fases do estator da...
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Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ensaio da Máquina de Indução Laboratório de Máquinas Eléctricas
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Universidade Técnica de Lisboa
Instituto Superior Técnico
Ensaio da Máquina de Indução
Laboratório de Máquinas Eléctricas
2
Índice 1. - Objectivos....................................................................................................................... 3
2. - Base teórica. ................................................................................................................... 3
3. - Transitórios de arranque da máquina de indução..................................................... 7
3.1 Introdução .......................................................................................................... 7
3.2 Placa de protecção do motor .............................................................................. 8
3.3 Desenvolvimento dos trabalhos. ........................................................................ 9
Rede de 230 V (Tensão composta) ...................................................................... 9
3.3.1 Arranque directo com a máquina ligada em triângulo.............................. 10
3.3.2 Arranque directo com a máquina ligada em estrela .................................. 10
3.3.3 Arranque estrela-triângulo ........................................................................ 10
Rede de 400 V (tensão composta)...................................................................... 12
3.3.4 Arranque com introdução de bobinas no estator....................................... 12
3.3.5 Arranque por autotransformador............................................................... 13
3.3.6 Utilização de arrancador suave ................................................................. 14
4. - Ensaios da máquina de indução................................................................................. 15
4.1 Introdução ........................................................................................................ 15
4.2 Ensaio em vazio ............................................................................................... 15
Esquema de ligações .......................................................................................... 15
4.3 Ensaio com o rotor bloqueado. ........................................................................ 16
4.4 Ensaio em carga ............................................................................................... 17
Máquina Assíncrona
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.
2. - 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:
[ ]rpm 60p
fns = (1)
Rodando o rotor da máquina à velocidade de n [rpm], define-se o escorregamento
relativo como:
s
sn
nns −= (2)
Máquina Assíncrona
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.
Rr 1-s s
ir is j(Xs+Xr)
jBm Gm
Rs+Rr
us
im
Figura 1: Esquema equivalente aproximado da máquina de indução.
Em amplitudes complexas, a corrente do estator Is 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.
O valor da resistência fictícia s
sRRs
Rrr
r −+=
1 determina o comportamento desta
máquina. Uma vez que o valor da resistência do rotor Rr é relativamente baixa, 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 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.
Máquina Assíncrona
5
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 0 1 2 30
2
4
6Ir/IN
-1 0 1 2 3-4
-2
0
2T/TN
-1 0 1 2 3-1
0
1
FP
N/Ns
-1 0 1 2 30
2
4
6Is/IN
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.
Máquina Assíncrona
6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Pu/PN
Is,T,Fp,s,η
Características
Is
Fp
T
s
η
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 Rr/s é
determinante sendo a corrente Ir fortemente resistiva. O seu carácter resistivo vai
diminuindo à medida que o escorregamento s aumenta. A corrente Is será a soma de Im
com Ir 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.
a
b
Is
Is
Ir
Ir Im
Vs
Figura 4: Diagrama vectorial da máquina em carga. (para dois valores de carga)
Máquina Assíncrona
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 6.
Figura 5: Esquema da máquina de
corrente contínua.
1 2 3
220 V ~
A
B
I
M3~
U V W
Osciloscópio
Sonda deCorrente
Velocidade
Figura 6: Ligações ao osciloscópio.
Máquina Assíncrona
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.
Ligação em Estrela Ligação em TriânguloZ X Y
U V W
Z X Y
U V W
Z X Y
U V W
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.
Máquina Assíncrona
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.
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
Figura 8: Placa de protecção do motor
Máquina Assíncrona
10
3.3.1 Arranque directo com a máquina ligada em triângulo
Depois de ligado o disjuntor pressione o botão verde (ON).
Registe o transitório no oscilos-
cópio.
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).
3.3.2 Arranque directo com a máquina
ligada em estrela
Repita o ensaio anterior mas com a
máquina ligada em estrela.
3.3.3 Arranque estrela-triângulo
Coloque um arrancador estrela-
triângulo 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
transitórios.
R. térmico
U V W N
R S T
KM1
D
M3~
A B C
ab
OFF
ON
Circuito decomando
Figura 10: Arranque directo.
Máquina Assíncrona
11
U V W
Z X Y
KM5 KM6KM4
M3~
R. térmico
U V W N
KM1
D
A B C
R S T
Circuito decomando
ab
OFF
ON
Arrancador estrela-triângulo
UV W
Z X Y
YXZ
Figura 11: Arranque estrela-triângulo (Nesta figura não é mostrado o circuito de comando dos contactores
KM4, KM5 e KM6).
Máquina Assíncrona
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.
3.3.4 Arranque com introdução de bobinas no
estator
Efectue as ligações do esquema da figura 12.
Com KM2 em aberto, ligue KM1.
Quando a velocidade atingir um valor próximo
da velocidade de sincronismo, curte-circuite as
bobinas de arranque actuando em KM2 (ON).
Registe o transitório no osciloscópio.
Bobinas de arranque da máquina de indução
O circuito de comando do contactor KM2 é apenas um interruptor com duas posições
(ON e OFF).
U V W
M3~
KM2
1
2
3 5
4 6
AU AV AW
BWBVBU
R. térmico
U V W N
R S T
KM1
D
ab
OFF
ON
Circuito decomando
Figura 12: Arranque com bobinas no
estator.
Máquina Assíncrona
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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.
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.
4. Abertura de KM3. Eliminação da ligação estrela
do autotransformador. Ligação através das
reactâncias que constituem parte do
autotransformador.
5. Fecho de KM1, ligação final da máquina à rede.
R. térmico
U V W N
R S T
D
KM1
M3~
ab
OFF
ON
Circuito decomandoA B C
A3 B3 C3
A2 B2 C2
A1 B1 C1
Figura 13: Arranque por autotransformador.
(simplificado)
R. térmico
U V W N
R S T
D
KM1
M3~
KM3
KM2 ab
OFF
ON
Circuito decomandoA B C
Figura 14: Arranque por autotransformador.
Máquina Assíncrona
14
Figura 15 : Autotransformador para arranque da máquina de indução
3.3.6 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.
R. térmico
U V W N
R S T
KM1
D
M3~
A B C
ab
OFF
ON
Circuito decomando
Arrancador suave
Placa de protecção
Figura 16: Arranque por arrancador suave.
Máquina Assíncrona
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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.
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.
RSTN
M3~
V
AAT
W
V3
V2
V1
Máquina Assíncrona
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Com a tensão aplicada à máquina num valor próximo do nominal, leia e registe os
valores na tabela seguinte:
Vs (V) Is (A) P1 (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 (IN=4.9A).
Registe os valores na tabela.
Vs (V) Is (A) P1 (W)
Máquina Assíncrona
17
4.4 Ensaio em carga O esquema de ligações da máquina de indução encontra-se representado na figura
18.
A máquina de corrente
contínua vai funcionar como
gerador obrigando a máquina
de indução a fornecer-lhe
potência mecânica.
As ligações para a
máquina de corrente contínua
encontram-se representadas na
figura 19. Todos os voltí-
metros e amperímetros indica-
dos já se encontram
instalados.
VA
Rectificador + Medidas
RSTN
+
-
V
AC
D
A
B
Rb
AT
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
R. térmico
U V W N
R S T
KM1
D
M3~
A B C
ab
OFF
ON
Circuito decomando
Arrancador suave
Wattímetro
Pinça Amp.
Placa de protecção
Máquina decorrente contínua
Acoplamentomecânico
Figura 18: Esquema de ligações da máquina de indução.
Máquina Assíncrona
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 bR 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.
Máquina Assíncrona
19
Os valores da tensão e da corrente aos terminais do induzido da máquina de corrente
contínua (Vdc e Idc ) 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:
Tenha em atenção os valores nominais
da máquina que são:
PN=2.2 kW; VN=400 V; NN=1420 rpm;
ηN=0,8; cosϕN=0,82; IN=4.9 A; TN=15 Nm
Os valores a calcular podem ser
obtidos a partir das expressões (3).
1
1
602
cos
3602
PPη
nTP
SPIVS
n
IVT
m
m
ss
dcdc
=
π×=
=ϕ
=
π×
=
(3)
Reduza a carga e desligue o motor assíncrono actuando no arrancador suave.
Desligue o disjuntor de corrente alternada. Desligue o ventilador
Vs
(V)
Is
(A)
P1
(W)
n (rpm)
Vdc
(V)
Idc
(A)
Máquina Assíncrona
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
