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Máquina de Indução

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1. Introdução
A análise preliminar para se entender...
Máquina de Indução

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A onda descrita pela equação final acima é uma função senoidal do ângulo espacial θ. Ela
tem uma am...
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(Fs = Fmax.Cos(wst)cosθ). De fato o valor de pico de F s(Fmax.coswst) está sempre
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Figura 2 – Fonte de corrente contínua para medição das resistências dos enrolamentos.
A modo de com...
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Realize os ensaio de rotor em vazio e rotor bloqueado e preencha as tabelas 2 e 3
Tabela 2 – Ensaio...
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Teste de curto circuito :
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5. Funcionamento da máquina de indução em tensão reduzida
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adicione seqüencialmente as cargas ao gerador síncrono, mantendo a tensão terminal constante
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7 Ensaio com carga do gerador de indução
Neste ensaio com carga é utilizada uma máquina CC funcionan...
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Apresente as suas considerações finais sobre o experimento.
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Guia de experimento de lab de maquinas maquina de indução versão 3

  1. 1. 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: dinâmica de funcionamento Aluno:_________________________ TURMA:_____________
  2. 2. Máquina de Indução 2 Campina grande,_____ de__________________ 2013 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: ia = I m cos ωt ib = I m cos(ωt − 120º ) ic = I m cos(ωt − 240º ) Fixando a origem para o ângulo θ , 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 θ . Para as fases a,b e c temos: Fa = Fa ( pico ) cos θ Fb = Fb ( pico ) cos ( θ − 120º ) Fc = Fc ( pico ) cos ( θ − 240º ) A Força Magnetomotriz resultante no ponto θ é: Fr (θ ) = Fa + Fb + Fc 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: Fa ( pico ) = Fa ( máx ) cos ( ωt ) Fb ( pico ) = Fb ( máx ) cos ( ωt − 120º ) Fc ( pico ) = Fc ( máx ) cos ( ωt − 240º ) Como as três correntes são equilibradas, temos te equação para fmm: Fr (θ , t ) = Fmáx cos ( θ ) cos ( ωt ) + Fmáx cos ( θ − 120º ) cos ( ωt − 120º ) + Fmáx cos ( θ − 240º ) cos ( ωt − 240º ) 1 1 1 Fmáx cos ( θ − ωt ) + Fmáx cos ( θ − ωt ) + Fmáx cos ( θ − ωt ) 2 2 2 3 Fr (θ , t ) = Fmáx cos ( θ − ωt ) 2 Fr (θ , t ) =
  3. 3. Máquina de Indução 3 A onda descrita pela equação final acima é uma função senoidal do ângulo espacial θ. Ela tem uma amplitude constante e um ângulo de fase espacial que é uma função linear do tempo. O ângulo ωt provê a rotação da onda inteira ao redor do entreferro à velocidade angular constante ω. Portanto, para um sistema bifásico, podemos concluir que como Fr = Fa + Fb , teremos que Fr = 2 Fmáx cos(θ − ωt ) = Fmáx cos(θ − ωt ) . 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. Fig.1 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:
  4. 4. Máquina de Indução 4 (Fs = Fmax.Cos(wst)cosθ). De fato o valor de pico de F s(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. 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
  5. 5. Máquina de Indução 5 ensaios de circuito aberto e curto circuito, estudar a dinâmica de funcionamento e os diferentes tipos de motores de indução. 3 Equipamentos e Instrumentos Utilizados o 1 Máquina assíncrona trifásica 4 pólos; o 2 varivolt; o 2 fonte CC; o 3 multímetros; o 2 watímetros; o 1 máquina CC; o 1 painel de cargas (lâmpadas); o 1 conta giros; o fios e cabos. 4. Determinação dos parâmetros da máquina assíncrona funcionando como Motor
  6. 6. Máquina de Indução 6 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 VFn (V) Ligação do rotor estrela Medida sobre uma fase 6.41 Medida entre fases 9.43 Medida diretamente com o multímetro (Estator) IFn (A) Rfn (Ω) Vr(V) (Rotor) Ir(A) 4.0 X 3.24 X X 10 X 3 3.28 Rr (Ω) 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.
  7. 7. Máquina de Indução 7 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 multímetros W1 (w) W 2 (W) I (A) Vnom (V) 27*20 -(17*20) 4.04 220 Tabela 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 aberto W1 (w) W 2 (W) I (A) V (V) Vrotor (V) 25*20 -(21*20) 4.06 220 75,8 Baseado nos ensaios de circuito aberto e de curto-circuito determine os valores dos parâmetros da máquina de indução, seguindo o exemplo abaixo. Teste de circuito aberto : V 379 Vca = camed = → Vca = 218,82V 3 3 I ca = Icamed → I ca = 2,54 A Wcatotal 380 = → Pca = 126,67W 3 3 V 218,82 Z ca = ca = → Z ca = 86,15 Ω I ca 2,54 Pca = Rca = Pca 126,67 = → Rca = 19,63 Ω 2 2 I ca ( 2,54 ) 2 2 X ca = Z ca − Rca = Rs Vprim ( 86,15 ) 2 − ( 19,63) → X ca = 83,88Ω 2 Xs X2’ Rf Xm Circuito equivalente da Máquina de Indução - Teste de Circuito Aberto - R2’
  8. 8. Máquina de Indução 8 Teste de curto circuito : V 381 Vcc = ccmed = → Vcc = 219,97 V 3 3 I cc = Iccmed → I cc = 2,54 A Wcctotal 460 = → Pcc = 153,33W 3 3 V 219,97 Z cc = cc = → Z cc = 86,60 Ω I cc 2,54 Pcc = Rcc = Pcc 153,33 = → Rcc = 23,77 Ω 2 2 I cc ( 2,54 ) 2 2 X cc = Z cc − Rcc = ( 86,60 ) Rs 2 − ( 23,77 ) → X cc = 83, 27 Ω 2 Xs R2’ ’ X2’ Vprim Circuito Equivalente da Máquina de Indução - Teste de Curto-Circuito Cálculo dos parâmetros : Xcc 83, 27 = → X s = 41,635 Ω 2 2 Xcc 83, 27 X2 ' = = → X 2 ' = 41,635 Ω 2 2 R s = R smed → R s = 1,96 Ω Xs = R 2 ' = R cc − R s = 23,77 − 1,96 → R 2 ' = 21,81Ω X m = X ca − X s = 83,88 − 41,635 → X m = 42, 245 Ω 2 R ca = R s + R f Xm 2 2 2 → ( R ca − R s ) R f − X m R f + ( R ca − R s ) X m = 0 2 2 R f + Xm  R = 22,829 Ω 2 R f − 100,998R f + 31534,589 = 0 →  f  R f = 78,169 Ω R f = 78,169 Ω 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.
  9. 9. Máquina de Indução 9 5. Funcionamento da máquina de indução em tensão reduzida Tabela 5 – Preencha a tabela 5 Ensaio em vazio para estudar o efeito da tensão na corrente de partida. Tabela 5 – Ensaio a tensão reduzida Vmed Imed Velocidade Wtot 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 x 1.63 1.40 1.36 1.45 1.65 1.95 2.35 2.95 3.77 x 1704 1745 1761 1771 1778 1782 1783 1785 1784 x 145 145 145 160 175 180 200 220 270 Obtenha os gráficos relacionados ao efeito da tensão na corrente, velocidade e potência de consumo do motor. 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
  10. 10. Máquina de Indução 10 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. Varivolt Maquina de indução Maquina Síncrona (gerador) Quadro de cargas Ponte Varivolt retificadora Utilizando as seguintes equações preencha a tabela 6: Setas vermelhas ligações elétrica Setas pretas ligações mecânicas Wm(rps) = Wm(rpm)/60 We(rad/s) = Wm(rps)*2π 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 Imed (A) 2,4 2,6 2,7 2,85 3,1 3,3 3,6 3,9 4,3 4,6 W1 (W) -(12*20) -(6*20) -(2*20) 2*20 8*20 13*20 18*20 22*20 27*20 32*20 W2 (W) 32*20 38*20 42*20 48*20 52*20 59*20 65*20 71*20 79*20 86*20 Wentra (W) Vel. (rpm) 1780 1770 1761 1752 1743 1734 1725 1716 1705 1695 Tabela 6 – Ensaio com carga Pag P útil C útil S (W) (W) (N.m) (VA) P (W) Q (var) N (%) F.P
  11. 11. Máquina de Indução 11 5,2 37*20 94*20 1684 *as células não preenchidas serão calculadas de acordo com as equações acima. Trace as curvas relacionadas a tabela 6, comentando a característica de cada curva em relação ao aumento de carga, fator de potencia e trace outras curvas correlacionadas aos seguintes temas. o O conjugado útil varia com que proporção a com a potência de entrada? o A velocidade varia com qual tipo de proporção com a carga ? o A corrente, o fator de potencia, o escorregamento, o rendimento, e a velocidade do motor de indução variam com qual tipo de proporção com a carga? Imed (A) W1 (W) -(12*20) -(6*20) -(2*20) 2*20 8*20 13*20 18*20 22*20 27*20 32*20 37*20 W2 (W) 32*20 38*20 42*20 48*20 52*20 59*20 65*20 71*20 79*20 86*20 94*20 Tabela 6.1– Ensaio com carga e com banco de capacitores Wentra Vel. Pag P útil C útil S P Q (W) (rpm) (W) (W) (N.m) (VA) (W) (var) 1780 1770 1761 1752 1743 1734 1725 1716 1705 1695 1684 N (%) F.P *as células não preenchidas serão calculadas de acordo com as equações acima. Trace as curvas relacionadas a tabela 6.1, inserindo um banco de capacitores para corrigir o fator de potência do motor de indução comentando a característica da curva corrente em relação ao fator de potencia e trace outras curvas correlacionadas aos seguintes temas. o A corrente e o fator de potencia do motor de indução. o Compare as curvas do fator de potência com e sim banco de capacitor o Potencia ativa e reativa e compare a potencia reativa com e sem banco de capacitor o Apresente o valor ótimo da potencia reativa do banco de capacitor para um fator de potencia de 0.92.
  12. 12. Máquina de Indução 12 7 Ensaio com carga do gerador de indução Neste ensaio com carga é utilizada uma máquina CC funcionando como motor série com o eixo acoplado ao gerador de indução e ligue a um conjunto de cargas resistivas (lâmpadas de várias potências). 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. Preencha uma tabela e a partir destas medições calcule o escorregamento S, a potencia útil, o conjugado e comente os resultados comparando o gerador assíncrono operando como um gerador eólico. Comente a necessidade dos capacitores, e o motivo da velocidade ser acima da velocidade síncrona. Setas vermelhas ligações elétrica Setas pretas ligações mecânicas Varivolt Vdc (V) 140 170 195 215 Maquina CC (turbina eólica) Maquina de indução Ponte retificadora Tabela 7 – Gerador Eólico Velocidade (RPM) Vsaída (V) 2372 220 2380 220 2397 220 2430 220 Quadro de cargas Capacitores de excitação Icarga 0 0.5 1.05 1.55 8. Partida do Motor de Indução Monofásico com capacitor Ligar o Motor de indução em série com um amperímetro e verificar que o motor atinja uma velocidade razoável (valor típico de 75% de W s) para que uma chave centrífuga seja desligada, a qual desconecta o conjunto bobina auxiliar de partida mais capacitor de partida e o motor passa a funcionar como monofásico puro.
  13. 13. Máquina de Indução 13 9 Conclusões Apresente as suas considerações finais sobre o experimento. 10 Referências JORDÃO, R. G., Máquinas Síncronas. São Paulo: Editora da USP,1980. FITZGERALD, A. E., KINGSLEY, C. e KUSKO, A., Máquinas Elétricas. São Paulo: Ed. McGraw Hill do Brasil, 1978. KOSOW, I. L., Máquinas Elétricas e Transformadores. Porto Alegre: Ed. Globo, 1979.

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