Motor de I ndução Trifásico 10TLME-3 - ensaio normalizado
Máquinas Eléctricas | Maio 2010 Fa c u l d a d e d e E n g e n h a r i a d a U n ive r s i d a d e d o Po r t o
Data de entrega: 31/5/2010 Turma 8 070503308 060503122 060503139
Carlos André Silva João André Cruz Marques Pedro Brogueira Andrade
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ÍNDICE
Introdução .................................................................................................................................... 2 Objectivos do trabalho ................................................................................................................ 3 Ensaio em Vazio............................................................................................................................ 6 Ensaio em Curto-Circuito com o rotor travado........................................................................... 8 Ensaio com o Rotor Travado e Medida do Binário ..................................................................... 9 Medida da Resistência Estatórica por Fase ............................................................................... 10 Conclusão .................................................................................................................................... 13 Referências .................................................................................................................................. 14
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INTRODUÇÃO O trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Máquinas Eléctricas centrou-se na compreensão e teste da capacidade de funcionamento de uma máquina eléctrica trifásica de indução através de uma série de montagens propostas no enunciado. Estas montagens são feitas de forma a identificar e compreender melhor o comportamento da máquina conforme a situação em que se encontra. A máquina eléctrica em questão consiste num motor de indução. É uma máquina eléctrica rotativa de construção simples constituída por dois circuitos distintos: o estatórico e o rotórico. O primeiro depende do estator, que consiste numa forma cilíndrica oca, cuja cavidade é usada como local de aplicação do rotor (parte giratória da máquina de indução). O segundo é constituído pelo rotor que terá uma forma de gaiola de esquilo e gira apenas sob o efeito criado pelo estator. Outro factor a referir é o entreferro, que consiste no espaço de ar que separa estator do rotor que permite que o motor possa girar. O estator e o rotor são preferencialmente constituídos por material ferro magnético com o intuito de reduzir as perdas de histerese e por correntes de Foucault. Isto implica que o estator seja composto por chapas laminadas de aço magnético tratadas termicamente extremamente finas. Estas chapas, vistas de frente, apresentam um formato anelar com ranhuras internas, o que permite o alojamento longitudinal de enrolamentos curto circuitos nos seus extremos por anéis laterais, criando assim um campo magnético quando em funcionamento. A nível de análise eléctrica, o motor em questão torna-se semelhante a um transformador. Logo, como forma de simplificar a análise, iremos referir-nos ao enrolamento do estator como primário e ao enrolamento do rotor como secundário. Como o enrolamento secundário pode rodar, a aplicação de uma tensão no primário provoca um fluxo magnético indutor que interliga ambos os enrolamentos.
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OBJECTIVOS DO TRABALHO O principal objectivo deste trabalho prático passa pela familiarização com máquinas eléctricas de indução e pela compreensão total do seu princípio de funcionamento. A nível mais específico, a aprendizagem e compreensão da norma IEEEst 112-204 através da realização dos ensaios nela previstos e normalizados, irá permitir que seja possível a obtenção de uma série de resultados correspondentes a parâmetros dos circuitos eléctricos equivalentes simplificados correspondentes aos ensaios efectuados. A nível de ensaios a realizar durante este trabalho prático temos: Ensaio em Vazio – Consiste em colocar em funcionamento o motor à tensão e frequência nominal sem carga, a 2ª parte deste ensaio passa por variar a tensão de forma a conseguir a separação das perdas totais em vazio. Ensaio em Curto-Circuito com o rotor travado – Neste ensaio específico o rotor do motor de indução está travado de forma a impedir a sua rotação, o seu circuito eléctrico é alimentado a uma tensão reduzida e frequência nominal. Ensaio com o rotor travado e medida do binário – Neste caso o objectivo passa pela identificação do binário mínimo desenvolvido pelo motor para diferentes posições do rotor estando este travado. Medida da resistência estatórica por fase – Passa pela medição da resistência utilizando o método do voltímetro/amperímetro e calcular ܴ (correcção devido ao efeito da temperatura). Material Utilizado: Motor de indução trifásico com o rotor em curto-circuito Wattímetro (x2) Autotransformador trifásico Voltímetro CA Amperímetro CA Taquímetro Travão mecânico Carro do voltímetro/amperímetro
Motor de Indução Trifásico |4 Especificações do Material usado:
•
Motor eléctrico de indução:
Tensão (V)
220 / 380
Corrente (A)
22,5 / 13
Potência (W)
5500
Potência (Cv)
7,5
Factor de potência (cos ф) 0,79
•
•
Velocidade (RPM)
1430
Frequência (Hz)
50
Balança
Capacidade máxima(Kg)
5
Graduação (g)
25
Amperímetro
Tipo
AC
Classe de Isolamento 2 Classe de Precisão
0,5
Nº de Divisões
10
Escala
10/20
Motor de Indução Trifásico |5 •
Voltímetro
Tipo
AC
Classe de Isolamento 2
•
•
Classe de Precisão
0,5
Nº de Divisões
10
Escala
10/20
Wattímetro Escala Corrente (A)
12,5/25
Escala Tensão (V)
120/240/480
Auto Transformador
Nº Fases
3
Tensão de Entrada (V)
40
Tensão de Saída (V)
0-400
Corrente Nominal (A)
13
Frequência Entrada (Hz) 50/60 Frequência Saída (Hz)
50/60
Motor de Indução Trifásico |6 B – Quais as condições de estudo que permitem obter um esquema eléctrico simplificado para o motor de indução trifásico. R - As condições para a obtenção de um esquema eléctrico simplificado para o motor de indução trifásico são semelhantes às dos transformadores, ou seja, para podermos projectar o esquema simplificado com resultados fiáveis a tensão de curto-circuito terá que ser inferior a 10% da tensão nominal de funcionamento do motor, ou seja, neste caso especifico, terá que ser inferior a 38V.
ENSAIO EM VAZIO Como referido anteriormente o ensaio em vazio permite-nos obter informação sobre o desempenho da máquina sem carga mecânica, das quais podemos destacar a corrente de excitação e as perdas. Neste ensaio realizam-se medições da tensão aplicada, corrente e potência activa numa das fases do motor, o que permite em ultima instancia calcular a impedância equivalente do motor quando em vazio. Este ensaio permite determinar as perdas magnéticas da máquina, assim como fornece parâmetros importantes para o circuito equivalente, sabendo que o valor da impedância respectiva ao secundário é desprezável, tornando-se possível determinar então a impedância do circuito de magnetização. O circuito equivalente correspondente ao ensaio em vazio será então:
Sabendo que neste ensaio o motor não possui carga mecânica, as perdas existentes em vazio são alimentadas pela energia absorvida e sabendo que o circuito equivalente consiste no estator onde o deslizamento é aproximadamente nulo, é possível verificar que existem
Motor de Indução Trifásico |7 perdas joule no circuito estatórico, perdas magnéticas e mecânicas devido ao movimento do rotor. Inicialmente alimentamos o motor com uma tensão cerca de 1,1Un que corresponde a 418V, e com frequência nominal, sabendo que a diferença entre das perdas totais e as perdas joule estatóricas neste caso é equivalente às perdas magnéticas, as medições efectuadas passaram pela corrente equivalente e as potencias medidas nos wattímetros para cada valor da tensão. A condição de fim do ensaio passou pelo momento em que a corrente absorvida tornou-se desprezável. Os dados retirados deste ensaio resultaram no seguinte gráfico:
30 25 20 15
Wattimetro 1 (W) Wattimetro 2 (W)
10 5 0 50 100 150 200 250 300 350 380
Gráfico.1 – Relativo à potência em função da tensão.
Esquema de montagem:
Figura.1 - Esquema de montagem para ensaio em vazio.
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ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO COM O ROTOR TRAVADO Como referido anteriormente, o rotor está preso por um travão de madeira, o que implica que a sua velocidade vai ser nula, previsivelmente então o deslizamento vai ser máximo, ou seja, unitário. A alimentação é feita sob tensões reduzidas a uma frequência nominal, o que resulta no facto da intensidade da corrente assumir valores nominais. As medições efectuadas passam pela medição do valor da tensão de alimentação, intensidade da corrente absorvida pelo motor e potencia absorvida. Convém referir neste ensaio que para estes motores a impedância com o rotor varia com a posição do mesmo. Como a tensão aplicada ao circuito de excitação é reduzida implica que a intensidade de magnetização seja praticamente desprezável e, consequentemente, o circuito de magnetização passa também ele a ser desprezável. O ensaio foi realizado com uma tensão suficiente para permitir a absorção da corrente nominal, que para o nosso motor é de 13 A, no entanto é sabido que em vazio rondava os 10% de este valor. Como o valor de tensão necessário para obter a corrente é bastante reduzido, é possível desprezar as perdas no ferro, logo é possível neste caso determinar a impedância combinada no rotor como é visível no esquema seguinte:
Os valores medidos foram o valor eficaz da tensão de alimentação, a potência absorvida e a temperatura ambiente. Obtendo estes valores e sabendo a resistência estatórica por fase, é possível determinar a resistência por fase do rotor referida ao estator assim como a reactância combinada de fugas por fase no estator.
Motor de Indução Trifásico |9 Inicialmente existiu uma preocupação com o sentido rotacional da máquina, tornando-se necessário haver uma troca das fases para mudar o sentido de rotação do rotor. Após prender o rotor com o travão de madeira fornecido pelos docentes ligamos o auto transformador e elevamos a tensão até que a corrente atinja o valor nominal, verificando depois o valor da tensão e da potência, sendo que o valor da tensão rondou os 10V e as potencias medidas nos wattímetros rondara os 15W e os 0 W.
Figura.2 – Esquema do ensaio em curto-circuito com o rotor travado.
B3.2 – Apresentar, justificando, a decomposição das perdas de energia que existem durante a realização deste ensaio. Sabendo que o motor não está a transformar a energia mecânica em eléctrica devido ao rotor estar travado é possível concluir que só há perdas de joule, ou seja, perdas por aquecimento do motor, precisamente devido ao facto precisamente de o motor estar em funcionamento em falso, e sujeito a um esforço muito superior ao normal.
ENSAIO COM O ROTOR TRAVADO E MEDIDA DO BINÁRIO Neste ensaio pretende-se obter informação sobre o binário desenvolvido neste regime de funcionamento, possibilitando assim uma aproximação à situação de arranque do motor de indução. Para que o arranque do motor, ou seja, o início da rotação seja possível é preciso existir um binário electromotor desejado, naturalmente este valor do binário deverá ser sempre superior ao binário nominal da máquina.
M o t o r d e I n d u ç ã o T r i f á s i c o | 10 O ensaio foi efectuado 3 vezes em posições angulares diferentes, ângulos estes que dependem directamente do número de pares de pólos da máquina, que neste caso são 2, logo realizamos o ensaio para ângulos de 0º, 90º e 180º, obtendo os seguintes resultados:
Angulo (º) Corrente (A) Peso (Kg) 0 13,17 3,49 90 12,86 3,31 180 12,65 3,57 Tabela.1 – Corrente em função do ângulo.
Figura.3 – Esquema do Ensaio com o Rotor Travado e Medida do Binário
MEDIDA DA RESISTÊNCIA ESTATÓRICA POR FASE Como
referido
anteriormente
para
este
método
foi
usado
o
metido
voltímetro/amperímetro, onde a fonte de alimentação CC neste caso é uma bateria, pois cumpre o pressuposto base de fornecer um valor constante de tensão de alimentação. Isto permitirá a obtenção do valor da resistência por fase, valor este que depois permitirá o cálculo das perdas Joule correspondentes ao ensaio em vazio do motor.
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Figura.4 – Esquema do motor ligado à bateria.
Para que seja possível calcular o valor da resistência estatórica por fase, foi efectuada uma correcção do valor da resistência devido ao efeito da temperatura recorrendo à seguinte expressão:
Ra = Resistência medida à temperatura ambiente = 3,298 Ω Ta = Temperatura ambiente = 24ºC Tb = Temperatura do motor = 75ºC K1 = Constante dos enrolamentos para cobre = 234,5
O método de cálculo da resistência Ra foi feito para cada fase, com 2 tensões e correntes equivalentes, para cada anotação, foi alterado o valor da resistência aplicada pelo reóstato, resultando obviamente numa alteração dos valores da corrente e da tensão, aplicando depois a lei de Ohm obtive-se o valor da resistência correspondente. Na tabela seguinte estão representados os valores obtidos neste ensaio:
FASE Tensão (V) Corrente (A) Resistência (Ω) R 5 1,487 3,363 R 5,5 1,701 3,233 S 6,5 1,965 3,302 S 7,5 2,287 3,328 T 8 2,398 3,336 T 8,5 2,601 3,268
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Calculando o valor médio das resistências obtidas concluímos que Ra = 3,298Ω Por fim aplicando a expressão referida anteriormente obtivemos o valor Rb = 3,95 Ω
As conclusões passíveis de serem retiradas deste resultado são que para temperaturas superiores à temperatura ambiente o valor da resistência também ele terá que ser superior. B.1 – Redija a justificação para o modo de aplicar a correcção do valor da resistência devida à variação da resistência com a variação da temperatura. Existem uma série de factores que condicionam o funcionamento do motor, desde um mau design ou montagem, mau manuseamento ou mesmo dificuldades inerentes ao ambiente existente, tudo isto provoca vibrações do motor, a pergunta apenas refere a necessidade da resistência para a diferença de temperatura, mas existe de facto mais uma série de factores a ter em conta, no entanto, é perceptível que o valor da resistência é corrigido conforme a temperatura como forma de evitar vibrações do motor que poderão diminuir o tempo de vida da máquina. .
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CONCLUSÃO Na realização deste trabalho foi possível aprofundar alguns conhecimentos relativos ao motor de indução trifásico. O motor de indução trifásico constitui o tipo de motor mais utilizado nas aplicações industriais. Tivemos a oportunidade de observar o comportamento do motor quando sujeito a diferentes regimes de funcionamento. Foi possível observar nestes ensaios experimentais que o binário do motor será tanto maior quanto maior for a tensão e corrente induzidas. Assim se a velocidade do motor fosse igual à sua velocidade de sincronismo, o deslizamento seria nulo assim como o binário produzido. Se a tensão aplicada ao motor for suficientemente baixa o binário também o será e poderá ter um valor insuficiente para vencer o binário resistente. Finalmente, podemos concluir que a realização deste relatório foi essencial para uma melhor aprendizagem das características do motor quando sujeito a diferentes situações.
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REFERÊNCIAS [1] 10TLME3 – Motor de Indução Trifásico – Ensaio Normalizado. Manuel Vaz Guedes – 2009/2010; [2] Manuel Vaz Guedes – Motor de Indução Trifásico – selecção e aplicação. FEUP, 1994.