Laboratorio de maquinas

FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA

LABORATÓRIO DE
MÁQUINAS ELÉTRICAS

Prof. Joel Rocha Pinto

Experiências do LABORATÓRIO de MÁQUINAS ELÉTRICAS

1ª - Máquina Síncrona:
 paralelismo do gerador síncrono com a rede
 gerador síncrono conectado a um sistema de potência
 curva “V” do motor síncrono

2ª - Máquina Síncrona:
 ensaio em vazio e em curto-circuito
 reatâncias associadas ao eixo direto e quadratura
 características de carga e de regulação

3ª - Máquina Assíncrona:
 tensão induzida rotórica
 ensaio em vazio e com rotor bloqueado

 simulação do motor de indução com o software Pspice.

 acionamentos elétricos para as máquinas assíncronas.

6ª - Máquina de Corrente Contínua:
 características em vazio e com carga das máquinas C.C. com excitação independente,
paralela, série e composta.
7a - Máquina de Corrente Contínua:
 características de rotação, tensão e de corrente da máquina C.C. com excitação
independente, funcionando como motor.

Faculdade de Engenharia de Sorocaba – Laboratório de Máquinas Elétricas – Prof. Joel Rocha Pinto

1

 determinação das perdas rotacionais da máquina de corrente da máquina C.C. com
excitação independente.
 determinação da constante de torque K da máquina de corrente da máquina C.C.
com excitação independente.
 determinação da curva característica torque em função da velocidade da máquina de
corrente da máquina C.C. com excitação independente.


2

1ª EXPERIÊNCIA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

Título : Máquina Síncrona ( Gerador )

Objetivos :
I) Obter o paralelismo do gerador síncrono com a rede.
II) Observação do Gerador Síncrono conectado a um sistema de potência,
III) Levantar a curva “V” da máquina síncrona funcionando como motor.

Material Utilizado :
03 voltímetros analógicos
03 multímetros digitais
01 multimedidor
01 frequencímetro
01 tacômetro
gaiola resistiva
chave faca tripolar
01 máquina C.C. com as seguintes características :
220Vcc / 0,37kW / 1,68A p/ gerador / 2,20A p/ motor / 1800 RPM
Campo : 220Vcc / 0,3A
01 máquina síncrona com as seguintes características :
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1800 rpm / 60 HZ

Resumo Teórico :
I) Gerador Síncrono conectado a um sistema de potência :
Com certa frequência se requer que dois ou mais geradores síncronos operem conjuntamente
para alimentar uma carga que exceda a saída nominal de um dos geradores.
Este caso é geralmente o que acontece nas redes de energia elétrica de uma região ou país. A
carga pode variar muito e a operação dos geradores em paralelo é necessária para produzir a
quantidade de energia requerida pelas cargas.
Existem duas dificuldades relacionadas com a operação em paralelo das máquinas síncronas:

3

 satisfazer as condições necessárias para conexão em paralelo (procedimento de sincronização);
 assegurar que cada gerador opere com sua cota de carga conforme a potência nominal.
Condições de Paralelismo:
 mesma tensão;
 mesma frequência;
 mesma sequência de fase.

II) Motor Síncrono - Funcionamento :
Partida: ligando-se o enrolamento trifásico à rede, então o campo girante do enrolamento do
estator, que não tem inércia, inicia imediatamente o seu movimento à plena velocidade, atuando
apenas instantaneamente sobre os pólos fixos do rotor.
Nesta fase, não se pode formar o conjugado necessário para vencer a inércia da massa do rotor.
Por esta razão, o motor síncrono em repouso não parte por si. O rotor, sem carga, tem que iniciar
o seu movimento em função de outro motor ou de um dispositivo de partida assíncrono (por
exemplo um anel de curto-circuito), até que sua velocidade alcance um valor próximo ao
nominal do campo girante.
Pela ligação da excitação de C.C., o próprio rotor se aproxima do movimento dos pólos do
campo girante, pois estes atuam continuamente sobre o rotor. Devido a este movimento igual de
rotação, entre o campo girante e o rotor, este tipo de máquina é chamado de síncrona
(sincronismo entre campo do estator e rotor).
Em vazio: em virtude da carga, que o atrito ocasiona, os pólos do rotor nunca alcançam a mesma
velocidade do campo girante do estator permanecendo em atraso por um certo ângulo (ângulo de
carga  da figura abaixo).
Os pólos que giram, induzem uma f.e.m. no enrolamento do estator, f.e.m. esta que permanece
em atraso em relação à tensão de rede pelo ângulo de carga . A diferença de tensão U entre a
tensão de rede e a f.e.m., é o fator que determina o valor da corrente do estator (Iest.) que em
vazio é praticamente igual à corrente de magnetização Im (corrente reativa).


4

Fig. 1.1

Representação dos enrolamentos do estator e rotor de uma máquina síncrona e

seu diagrama fasorial para condição em vazio.

Sob Carga : quando a máquina recebe uma carga mecânica, os pólos do rotor ficam tanto mais
em atraso em relação aos pólos do estator quanto maior a carga, sem que com isto a rotação
síncrona sofra qualquer alteração.
Em virtude do ângulo de carga maior, a f.e.m. em atraso aumenta o seu valor em relação à tensão
da rede, com isto também eleva-se a diferença de tensão U no estator, e a corrente absorvida
(Iabsorv.) se eleva.
Uma corrente mais elevada no estator origina um campo girante mais forte e este desenvolve,
com o campo do rotor, uma elevação do conjugado para vencer a carga. Disto resulta uma
grande estabilidade de rotação e a possibilidade de elevada sobrecarga de 1,8 vezes o conjugado
nominal.
Somente com uma sobrecarga acima deste valor o ângulo de carga aumenta acentuadamente,
reduzindo a força de atração entre os pólos do estator e do rotor. Nestas condições a rotação do
rotor cai acentuadamente em relação à do campo girante, sai do sincronismo e para rapidamente.
Simultaneamente, em virtude da inexistência da f.e.m. (Vo), a corrente do estator sobe
rapidamente.


5

Fig. 1.2

Digrama fasorial da máquina síncrona com carga e o comportamento da

velocidade em função do torque da carga.

A corrente absorvida pelo estator não depende entretanto apenas da carga, mas também da
excitação do enrolamento do rotor. Quando o valor da corrente de excitação é baixo, a f.e.m.
(Vo) também é baixa, e o enrolamento do estator absorve a potência indutiva necessária para
construir o campo magnético, na forma de uma corrente em atraso à tensão da rede.
Se a corrente de excitação é elevada sem alteração da carga, eleva-se também a f.e.m. no estator;
chega-se o momento no qual a corrente do estator Iest., que está em atraso em relação com a
tensão ativa do estator U, fica em fase com a tensão da rede (cos =1).
Continuando a elevação da corrente de excitação do rotor, resulta uma corrente adiantada em
relação à tensão da rede. Isto significa que o motor síncrono não absorve mais potência indutiva,
mas sim fornece potência.

Procedimento Experimental:
I) Paralelismo do gerador síncrono com a rede:
1. Montar o circuito conforme a figura 1.3
2. Ajustar a fonte F3 (0-300Vcc) e Rd até obter a rotação nominal de 1800 rpm
3. Ajustar a tensão de saída do gerador síncrono em 220V, atuando no Rexc
4. Verifique a seqüência de fase pelos voltímetros, caso esteja correta, ajuste a freqüência,
variando a rotação (Rd) de modo que a oscilação dos ponteiros dos voltímetros seja a mais lenta
possível.
5. Sincronizar o gerador com a rede no instante em que os voltímetros oscilarem lentamente em
torno de zero.


6

II) Observação do Gerador Síncrono conectado a um sistema de potência:
6. Ajustando Rd tente aumentar a velocidade do gerador. Observará que a rotação não aumenta
mais, mas a carga do motor C.C. se eleva, o que é comprovado pela corrente da armadura (Ia).
Fixe Ia em torno de 1,0A.
7. Mantendo fixa a corrente da armadura (Ia) em 1,0A, variar a corrente de excitação (Iexc) e
medir : Il, Vl, cos, Q, P e Iexc.
Observe o seguinte:
 variando a corrente de excitação (Iexc), variar-se a corrente Il do gerador, mas a potência (P) e a
tensão Vl permanecem constante.
8. Preencher a tabela 1.1
9. Construir os gráficos :
Il x Iexc (gerador)
P x Iexc (gerador)

FIGURA 1.3
Vl ( V )

P(W)

Ilinha ( A )

Iexc ( A )

Ia ( A )
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0

cosBARRAMENTO

Q (VAR)

TABELA 1.1


7

10. Mantendo fixa a corrente de excitação (Iexc) em 2,0A,variar a corrente da armadura (Ia), e
medir : Il, Vl, cos, P e Iexc.
Observe o seguinte:
 variando a corrente da armadura (Ia), variar-se o torque da máquina de corrente contínua, pois
T = kIa, consequentemente variar-se a potência ativa (P) gerada pela máquina síncrona.
12. Construir o gráfico :
P x Iexc (gerador)
Vl ( V )

P(W)

Ilinha ( A )

Iexc ( A )
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0

Ia ( A )

cosBARRAMENTO

Q (VAR)

TABELA 1.2

Comentário:
Sabendo que o torque que aciona o gerador e a corrente de excitação podem ser variados de
forma independente, então o operador pode decidir quanto de potência ativa e quanto de potência
reativa há de entregar do gerador para a rede.
A carga ativa pode ser variada através do torque de entrada.
A carga reativa pode ser variada através da corrente de excitação.


8

III) Curva “V” do motor síncrono:
13. Desconecte a fonte F3 (0-300Vcc) e ligue na gaiola resistiva conforme a figura 1.4. Cuidado
com os cabos, ao desconectar, pois uma tensão contínua em torno de 220V será gerada.
14. Através de Rd ajustar a tensão de saída do gerador C.C. para 220V em vazio.
15. Variar a corrente de excitação Iexc e medir Il.
16. Repetir o item anterior para 1 carga e 2 cargas.
18. Construir no mesmo sistema os gráficos Il x Iexc (motor) para cada caso.

FIGURA 1.4
VAZIO
Iexc
(A)

Il
(A)

cos

Q
(VAR)

Carga Resistiva – 3 Resistências em
SÉRIE – Posição 1 = 540
Iexc (A)
Il (A)
Q
cos
(VAR)

Carga Resistiva – 3 Resistências em
SÉRIE – Posição 2 = 270
Iexc (A)
Il (A)
Q
cos
(VAR)

TABELA 1.2


9

Questões :
1. Explique os gráficos obtidos.
Il x Iexc (gerador)
P x Iexc (gerador); torque constante
P x Iexc (gerador); corrente de excitação constante
Il x Iexc (motor)
2. Por que o motor síncrono, em repouso, não parte por si, necessita de um dispositivo de
partida?

3. Explique o que acontece com o motor quando opera em vazio e sob carga.

4. Como a variação da corrente de excitação influencia na máquina síncrona ?


10


Título : Máquina Síncrona ( Gerador )

Objetivos :
I) Estudar o comportamento de um gerador síncrono através dos ensaios em vazio e em curtocircuito.
II) Determinar experimentalmente os valores das reatâncias associadas aos eixos direto e
quadratura da máquina síncrona.
III) Verificar as características de carga e de regulação de tensão de um gerador síncrono.

01 multimedidor
01 multímetro digital
01 amperímetro analógico
01 tacômetro
gaiolas R, L e C
220Vcc / 0,37kW / 1,68A p/ gerador / 2,20A p/ motor / 1800 rpm
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1800 rpm / 60 HZ


11

Resumo Teórico :

I) Curva de Magnetização da Máquina Síncrona:
Curva de magnetização de uma maneira geral, é a correspondência entre fluxo (ou densidade de
fluxo) e a f.m.m. de excitação da estrutura magnética. Como o valor eficaz da f.e.m. induzida na
máquina síncrona é proporcional ao fluxo, e a f.m.m. é proporcional à corrente contínua de
excitação, a curva de magnetização é normalmente apresentada como f.e.m. em função da
corrente de excitação.
A máquina síncrona, motor ou gerador, apresenta uma curva de magnetização (também chamada
de curva de saturação em vazio) que lembra a curva de magnetização dos transformadores, com
a diferença de que a corrente magnetizante na máquina síncrona é fornecida pela fonte de tensão
contínua de excitação (excitatriz).
O levantamento dessa curva é feito com a máquina síncrona funcionando como gerador em
vazio, acionado por um motor elétrico (por exemplo o motor de corrente contínua).
Mede-se a tensão Vo (valor eficaz) nos terminais em vazio de uma das fases (que deve ser
praticamente o mesmo que nas outras fases de uma máquina equilibrada) e a corrente contínua
de excitação. O gráfico 2.1

que se pode traçar com os valores obtidos é a curva de

magnetização, ou seja, Eo = f(Iexc). Para cada velocidade de acionamento da máquina síncrona
teremos uma curva.

E4,44* f *N* [V ]

(2.1)

A equação (1.1) mostra que a f.e.m. gerada é diretamente proporcional ao fluxo magnético. Este
fluxo é induzido pela corrente de excitação.
Em vazio tem-se apenas o fluxo do indutor o . Como a máquina síncrona tem o circuito
magnético do fluxo do indutor em parte estabelecido no material ferromagnético e em parte no ar
(entreferro), a curva é uma composição, em ordenadas, da diferença de potencial magnético no
ferro e no entreferro. Apresenta uma parte praticamente linear para baixos valores de corrente de
excitação e sofre o efeito de saturação para altos valores. Além disso para máquinas já
anteriormente

utilizadas,

as

peças

polares

do

indutor

apresentam

remanência

e,

consequentemente, a curva de magnetização inicia com uma f.e.m Erem. que se manifesta para
Iexc.=0.

Esse ensaio é também denominado ensaio em vazio.


12

350
n1 = 1800 rpm

300

n2 = 1500 rpm

Vo (Volts)

250

200

n3 = 1100 rpm

150

100

50

0
0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Iexc. (A)

Fig. 2.1 Curvas características do ensaio em vazio.

II) Ensaio em Curto-Circuito:
No ensaio em curto-circuito notaremos que a curva Icc x Iexc. Para diversas rotações é a mesma
devido à independência em relação à rotação.

I cc 

E 4,44* f *N * 4,44*N *


Xs
2* * f *L
2* *L

5,0
4,5
4,0

n1 = 1800 rpm

3,5

Icc (A)

3,0

n2 = 1500 rpm

2,5
2,0
1,5

n3 = 1100 rpm

1,0
0,5
0,0
0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Iexc. (A)

Fig. 2.2 Curvas características do ensaio em curto-circuito.


13

III) Determinação da Reatância Síncrona - Diagrama de Potier:
De posse das correspondências Icc =f(Iexc) e Vo = f(Iexc) , onde Icc e Vo são valores de fase, podese calcular a reatância síncrona para qualquer condição de excitação, ou seja, para qualquer
corrente de excitação.
Conhecendo a reatância síncrona é possível calcular a corrente de excitação necessária para
manter a tensão requerida para uma determinada carga.
Quando o circuito magnético não está saturado, a reatância síncrona Xs independe da magnitude
da Iexc. A saturação tem grande influência quando a Iexc é elevada, então a reatância síncrona
tende a crescer.
O Diagrama de Potier é uma aproximação somente, mas apresenta resultados satisfatórios para
geradores de alta velocidade (1500-3000 rpm / 50 Hz e 1800 e 3600 rpm / 60 Hz). É adequado
para geradores de pólos lisos ou rotor cilíndrico.

A) Plotar as duas curvas Icc =f(Iexc) e Vo = f(Iexc) no mesmo gráfico.

Fig. 2.3 Diagrama de Potier

B) Para a tensão em vazio igual à tensão nominal Vnom., verifique a corrente de excitação

resultante, Iexc.1, e para esta, a corrente de curto-circuito correspondente Icc1. A reatância
síncrona por fase, saturada, é dada por:


14

Xs sat 

Vnom
(ohms / fase)
I cc1

(2.2)

A reatância síncrona por fase, não saturada é:

Xsnaosat. 

Vnom
(ohms / fase)
I cc 2

(2.3)

C) Determinação da reatância síncrona em p.u. :

X s  p.u.

X*
Zb

(2.4)

onde:
X* pode ser :

Xssat.;
Xsnão sat. ;
Xd ou
Xq

Zb 

Vb
, em que Vb e Ib são respectivamente a tensão e corrente nominais por fase.
Ib

IV) Determinação das Reatâncias Associadas aos Eixos Direto e Quadratura:
Outro método para se determinar a reatância síncrona de uma máquina de indutor cilíndrico
perfeito, seria acioná-la na velocidade síncrona por meio de outro motor, e ligar seu induzido à
linha, porém sem excitá-la com corrente contínua. Assim sendo, se desprezarmos as perdas, a
corrente Ia, absorvida da linha será uma corrente magnetizante.
Pela equação (2.5) é possível calcular-se a reatância síncrona, bastando medir a tensão Va e a
corrente de magnetização absorvida.

Xs 

Va
I amag.

(2.5)

Se, porém a máquina fosse de pólos salientes e os pólos do campo rotativo do induzido girassem
com velocidade ws e sempre alinhados com as peças polares do indutor (eixo direto) teríamos,
para a corrente de magnetização absorvida da linha, uma corrente de eixo direto e o seu
andamento no tempo seria o do gráfico 2.4. A relação entre os valores eficazes da tensão Va e
dessa corrente Iad mag seria a reatância associada ao eixo direto. Assim,


15

Xd 

Va
I admag.

(2.6)

Mas se os pólos do campo rotativo girassem alinhados com o eixo de quadratura das peças
polares, teríamos devido à maior relutância, uma corrente de magnetização maior que seria a
corrente Iaq

mag.,

cujo andamento está no gráfico 2.4. Logo, a reatância associada ao eixo de

quadratura seria

Xq 

Fig. 2.4

Va
I aqmag.

(2.7)

Andamento das correntes absorvidas pela máquina síncrona sem excitação de

C.C.. Com peças polares sempre alinhadas com o campo rotativo do induzido (campo
alinhado com o eixo direto) Iad; e alinhado com o eixo de quadratura Iaq.
Na prática, a solução para se obter os valores de Iad mag e Iaq mag. é associar a máquina síncrona a
ser ensaiada por meio de um motor que apresente uma velocidade próxima da velocidade ws que
é dada pela quantidade de pólos do induzido e pela freqüência da tensão de linha. Um
oscilograma dessa corrente seria o do gráfico 2.4, mas que, nos casos práticos, não é tão claro e
simétrico. O contorno da corrente Ia terá uma freqüência correspondente à diferença de
velocidade entre campo rotativo e sapatas polares do indutor. Desse oscilograma se consegue os
valores máximos e eficazes de Iad mag e Iaq mag. para se poder aplicar as equações (2.6) e (2.7). Se
o fenômeno for bem lento com um amperímetro, consegue-se registrar razoavelmente os valores
dessa corrente.
É conveniente utilizar uma tensão Va reduzida para que o conjugado de relutância da máquina
síncrona (único conjugado que se manifesta sem excitação C.C.) seja pequeno e com isso


16

diminua a tendência dela sincronizar e arrastar consigo o motor de acionamento. E com tensão
reduzida teremos pequeno fluxo na estrutura magnética; logo, as reatâncias medidas devem ser
praticamente as não-saturadas.

Fig 2.5 Andamento da corrente absorvida pela máquina síncrona sem excitação de C.C..
Alternância de alinhamento com eixo direto e eixo quadratura.

V) Verificação da influência da natureza da carga - Medida da regulação do gerador
síncrono:

n

60* f
[ RPM ]
p

(2.8)

A equação (2.8) mostra que a freqüência gerada é diretamente proporcional à velocidade do
rotor. Sabendo que todas as aplicações técnicas do gerador síncrono requerem uma freqüência
constante, os alternadores devem ser acionados a uma velocidade constante porque as variações
de carga afetam a velocidade do rotor, assim, deverá ter um controle capaz de manter a
velocidade constante apesar das variações de carga.
Geralmente queremos um gerador capaz de fornecer uma tensão constante para qualquer carga.
Veremos que a corrente de excitação afeta grandemente no fluxo polar, consequentemente, para
manter a tensão constante, a corrente de excitação deve variar de acordo com a carga.
Para manter a tensão constante, a corrente de excitação deve ser aumentada quando a velocidade
do rotor diminui, ou seja, quando aumentamos a carga.
Se a carga é capacitiva deve se reduzir a excitação para manter a tensão nominal.


17

Através do gráfico da figura 2.6 pode-se observar o seguinte:

Fig. 2.6 Comportamento da corrente de linha em função da corrente de excitação
 Linha EDC  limite inferior de excitação,
 Trapézio ABCDE  área de trabalho do gerador síncrono,
 Para carga com fator de potência 0,6 é necessário uma Iexc

máx.

para obter apenas 50% da

corrente nominal do gerador,
 Para carga com fator de potência 1,0 é necessário apenas 50% da Iexc máx. para se obter 100%
da corrente nominal do gerador,
 Uma carga resistiva requer um pequeno incremento da Iexc. para manter a tensão nominal
constante,
 Uma carga indutiva requer uma grande corrente de excitação,
 Já uma carga capacitiva requer uma excitação reduzida. E ainda corre o risco de ficar
sobreexcitado.


18

Procedimento Experimental :

I) Ensaio em Vazio :
2. Ajustar Rd e F3 para n = 1800 rpm
3. Aumente Rexc até o seu valor máximo, ou seja, diminua Iexc., de modo que a 1ª F.E.M.
indicada pelo voltímetro reduza ao mínimo
4. Medir a corrente de excitação e a tensão Vo
5. Através de Rexc variar a corrente de excitação, medir a tensão e certificar que a velocidade está
em 1800 rpm. Caso não esteja, use o ajuste de Rd
6. Repetir os itens 2, 3, 4 e 5 para n = 1500 rpm e n = 1100 rpm
7. Montar a tabela 2.1
Vo x Iexc ( para velocidades constantes n1, n2 e n3 ) em um único par de eixos.

FIGURA 2.7
n1 = 1800 rpm
Iexc ( A )
Vo ( V )

n2 = 1500 rpm
Iexc ( A )
Vo ( V )

n3 = 1100 rpm
Iexc ( A )
Vo ( V )

TABELA 2.1


19

II) Ensaio em Curto-Circuito :
2. Para três valores de rotações diferentes n1 = 1800 rpm, n2 = 1500 rpm e n3 = 1100 rpm varie
a Iexc. e meça os valores de Icc
3. Montar a tabela 2.2
4. Construir o gráfico (Icc / 3 ) x Iexc. para as três rotações em um único par de eixos.

FIGURA 2.8

n1 = 1800 rpm
Iexc ( A )
Icc(A)

n2 = 1500 rpm
Iexc ( A )
Icc(A)

n3 = 1100 rpm
Iexc ( A )
Icc(A)

TABELA 2.2


20

III) Determinação das Reatâncias associadas aos eixos direto e quadratura
2. Deixando a excitação do campo em aberto, aplique V=30V nos terminais da máquina síncrona
3. Gire o motor C.C. de modo que a rotação seja próxima da rotação síncrona (1800 rpm)
4. Ajustando a rotação, faça 5 (cinco) medidas para Id e 5 (cinco) medidas para Iq
5. Ache a média das medidas e calcule as reatâncias pela fórmula :
Xd 

V 3
Id medio

(ohms/fase)

e

Xq 

V 3
Iqmedio

(ohms/fase)

onde:
Idmédio = corrente média do eixo direto (corrente menor)
Iqmédio = corrente média do eixo de quadratura (corrente maior)

FIGURA 2.9
Corrente do Eixo Direto ( Id )

Idmédio =
TABELA 2.3

Corrente do Eixo de Quadratura ( Iq )

Iqmédio =

IV) Verificação da Influência da Natureza da Carga - Medida da Regulação do Gerador
Síncrono
2. Ajustar a fonte F3 (0-300Vcc) e Rd até obter a rotação nominal de 1800 rpm
3. Ajustar a tensão de saída do gerador síncrono para 220V, atuando no Rexc
4. Mantendo constante a n(rpm) e a Iexc(A) ligar a gaiola resistiva na configuração ESTRELA Y e medir a tensão Vc e a corrente Ic


21

5. A tensão dos terminais do gerador deverá modificar em virtude da carga. Calcule a regulação
de tensão do gerador síncrono, sabendo que : R(%) 

Vo  Vc
*100
Vc

6. Repetir os itens anteriores para as cargas RL e RC
Vc x Ic ( característica de carga )
R(%) x Ic ( característica de regulação )

FIGURA 2.10
Cargas

n (rpm) Iexc (A) Vc ( V ) IC ( A )

cos

R ( %)

Iexc (A) Vc ( V ) IC ( A )

cos

R ( %)

Iexc (A) Vc ( V ) IC ( A )

cos

R ( %)

EM VAZIO
Gaiola Resistiva Ligação Estrela - Y
POS 1 = 180/fase
POS 2 = 90/fase
POS 3 = 60/fase
POS 4 = 45/fase
POS 5 = 36/fase
Gaiola Resistiva em Estrela em SÉRIE n (rpm)
com Gaiola Indutiva em Estrela
POS 1 = 180/fase

POS 5 = 513mH/fase

POS 2 = 90/fase

POS 4 = 256mH/fase

POS 3 = 60/fase

POS 3 = 171mH/fase

POS 4 = 45/fase

POS 2 = 128mH/fase

POS 5 = 36/fase

POS 1 = 102mH/fase

Gaiola Resistiva em Estrela em SÉRIE n (rpm)
com Gaiola Capacitiva em Estrela
POS 1 = 180/fase

POS 1 = 13,7F/fase

POS 2 = 90/fase


POS 3 = 60/fase


TABELA 2.4


22

Questões :

Vo x Iexc.
Icc x Iexc.
Vc x Ic
R(%) x Ic

2. Comente sobre o diagrama de Potier ( construção, utilização ).

3. Através do diagrama de Potier para n=1800 rpm e das equações (2.2) e (2.3), calcule as
reatâncias síncrona por fase saturada (Xssat.) e não saturada (Xsnão

sat.);

compare com as

reatâncias obtidas nos eixos direto (Xd) e quadratura (Xq).

4. Determine as reatâncias síncronas em p.u. através da equação (2.4).

5. No ensaio em vazio, você deve ter observado a necessidade de corrigir a rotação da máquina
síncrona conforme aumentava sua excitação. Por quê?

6. No ensaio de curto-circuito, o que aconteceria se houvesse variação da rotação durante o
levantamento dos pontos?


23


Título : Máquina Assíncrona

Objetivos :
I) Verificar o comportamento da F.E.M. rotórica e da freqüência em uma máquina assíncrona.
II) Verificar as curvas características da máquina assíncrona através do ensaio em vazio e
bloqueado, e obter os parâmetros do circuito equivalente.

01 medidor de energia
01 multímetro digital
01 osciloscópio digital
01 tacômetro
01 máquina assíncrona com as seguintes características :
Rotor de Anéis
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1700 rpm / 60 HZ

Resumo Teórico :
I) Comportamento da f.e.m. rotórica e da freqüência em uma máquina assíncrona
Nesta experiência verificaremos as propriedades básicas de uma máquina de indução (máquina
assíncrona). Esta é a mais importante das máquinas elétricas, é amplamente utilizada para todos
os propósitos industriais, geralmente como motor.
Existem basicamente dois tipos de máquinas de indução:
 De rotor bobinado: tanto o estator quanto o rotor tem enrolamentos trifásicos e o enrolamento
do rotor é acessível por meio de escovas.
Rotor curto-circuitado “Gaiola de Esquilo”: o estator tem enrolamentos trifásicos e o rotor tem
barras condutoras distribuídas uniformemente em sua circunferência. As barras estão curtocircuitadas por anéis condutores, um em cada extremo do rotor.

24

A teoria das máquinas de indução estabelece que quando os enrolamentos do estator estão
conectados a uma fonte trifásica, cria-se um campo magnético na circunferência que separa o
rotor do estator.
 Velocidade do campo do Estator:

ns 

60 * f 1
[ RPM ] ;
p

f1 = freqüência da tensão aplicada
p = pares de pólos

Se o rotor está estacionário, cada uma de suas bobinas será influenciada por um campo
magnético cuja freqüência é igual à freqüência da tensão aplicada no estator. Portanto, induz
uma f.e.m. de valor E0 em cada fase do rotor com uma freqüência f1.

Eo C* f1*

(3.1)

Onde: C = constante, cujo valor depende do número de pólos (2p), do número de enrolamentos
por fase e da distribuição sobre a circunferência do rotor,
f1 = freqüência do estator,
 = fluxo magnético polar.
Se o rotor gira com uma velocidade nr, diferente de ns.

f2 

n s  nr
*p
60

(3.2)

f2 

n s  nr
* f1
ns

(3.3)

f 2 s*f1

(3.4)

E2 s*Eo

(3.5)

Onde: ns - nr = velocidade relativa entre o estator e o rotor,
p = pares de pólos,
f2 = freqüência rotórica,
s = escorregamento,
E2 = tensão rotórica.


25

Escorregamento(s) 1,00
120

100

0,75

E2 (Volts)

80

0,50

60

40

0,25
20

0,00

0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

n (RPM)

Fig. 3.1

Comportamento da f.e.m. rotórica em função da velocidade da máquina

assíncrona.

Quando o rotor gira com a velocidade síncrona ( ns), tanto a f.e.m. como a freqüência f2 são zero.
Para esta velocidade não flui corrente no circuito do rotor, portanto não induz f.e.m.. Se a
máquina precisa de um determinado torque é necessário que exista uma interação entre o fluxo
magnético e a corrente do rotor. Por esta razão a máquina pode operar como motor ou gerador
uma vez que a velocidade do rotor nr é diferente da velocidade do campo girante do estator ns.


26


I) Comportamento da f.e.m. rotórica e da freqüência em uma máquina assíncrona
2. Com Va em zero volts, ajuste a Iexc para 0,3A através da fonte F5 (0-220Vcc) e de Rd
3. Alimente o estator do motor de indução (F1) e meça o valor de E2
4.Ajuste a fonte F3 (0-300Vcc) para que o rotor comece a girar. Medir a tensão rotórica (E2rms)
e a frequência rotórica (f2).
5. Calculando o escorregamento (s) e a rotação (n), construa a tabela 3.1
E2 x n
f2 x n

FIGURA 3.2
n ( rpm )

E2 ( V )

escorregamento: s

f2 ( Hz )

Eo =

TABELA 3.1


27

II) Curvas Características da Máquina Assíncrona:
2. Variar a fonte F2 (0-240Vca) e medir Vo, Io, Po, coso e no preenchendo a tabela 3.2
Vo x Io
Po x Vo
no x Vo
coso x Vo

FIGURA 3.3
Vo ( Volts )

Io ( Ampères )

Po ( Watts )

no (RPM)

coso

TABELA 3.2

5. Com o rotor bloqueado, variar a fonte F2 (0-240Vca) e medir Vcc, Icc e Pcc.
Preencher a tabela 3.3
6. Construir os gráficos ;
Pcc x Icc
Vcc x Icc


28

7. Obter os parâmetros do circuito equivalente e desenhar o circuito equivalente com os
respectivos parâmetros

FIGURA 3.4
Vcc ( Volts )

Icc ( Ampères )
Icc max.= 2,0

coscc

Pcc ( Watts )

TABELA 3.3

Questões :
E2 x n
f2 x n
Vo x Io
Po x Vo
no x Vo
coso x Vo
Pcc x Icc
Vcc x Icc
coscc x Icc

2. O que acontece quando o rotor gira com a velocidade do campo do estator (velocidade de
campo girante)?


29


Título : Simulações de motores de indução utilizando o software Pspice

Objetivos :
Através do software Pspice é possível obter os principais dados de corrente, tensão e potência do
motor de indução e consequentemente verificar as suas curvas características, entre elas:
- Torque em função da velocidade;
- Torque em função do escorregamento;
- Corrente do estator e do rotor em função do escorregamento;
E também verificar o seu balanço energético.

Resumo Teórico :
O circuito equivalente, por fase, de um motor de indução, é geralmente desenhado com o
circuito equivalente do rotor referido ao estator, como é mostrado na Fig. 4.1. As perdas ôhmicas
nos enrolamentos do estator e do rotor são representadas, respectivamente, por R e R’2; X1 e X´2
modelam a dispersão no estator e no rotor, enquanto Rp corresponde às perdas no ferro e Xmag à
reatância de magnetização. A resistência do rotor é dividida em duas parcelas para separar as
perdas ôhmicas. A parcela R'2(1-s)/s corresponde à parte variável da resistência rotórica, que é
função das condições de operação do motor, ou seja, da carga mecânica aplicada ao seu eixo.

Fig. 4.1 Circuito equivalente, por fase, do motor de indução, referido ao estator.


30

Para poder simular o circuito equivalente do motor, é necessário efetuar um balanço
energético do motor. A potência fornecida pela fonte trifásica será:

P

[4.1]

 3.V 1 . I 1 . cos 

f

As perdas Joule no estator são dadas por:

P

[4.2]

 3. R1 . I 1

2

je

As perdas no ferro são dadas por:

V
P  3. R . I  3.
R
2

P

P

2

[4.3]

1

P

P

A potência transferida ao rotor, pelo entreferro, é calculada por:

P

12

[4.4]

 P f  P je  P P

Como a potência só pode ser dissipada na parte resistiva do circuito equivalente, a
potência transferida ao rotor será:


P12  3. R'2 


R' 1  s . I '  R' . I '


2

2



s

2

2

2

s

2

[4.5]

As perdas Joule no rotor são calculadas por:

P

 3. R'2 . I '2
jr
2

[4.6]

A potência elétrica disponível para ser convertida em potência mecânica será aquela
transferida ao rotor, através do entreferro, descontando-se as perdas Joule no rotor:

P P P
e

12

 3. R'2
jr

1  s  .
s

2

I'

2

[4.7]

A potência útil pode ser expressa por:

P P P
u

e

a

[4.8]

O conjugado eletromagnético é dado por:

C

e

P

[4.9]
e




31

Considerando que a velocidade angular pode ser expressa em função da velocidade
síncrona por:

  1 s . s

[4.10]

substituindo o valor de  da expressão (A-10), o conjugado eletromagnético passa a ser dado
por:
2

3.
.
1
 R'2 I '2 .
Ce
s
s

[4.11]

No circuito equivalente do PSPICE, para traçar a curva Pe x escorregamento, basta plotar
a potência dissipada em:

3. R'2

1  s 

[4.12]

s

dada por:

P

12

 3.V

2

.
2 P I '2

[4.13]

Para obter o gráfico do conjugado, pode-se usar um artifício, criando-se uma fonte
vinculada, com ganho 1/s e traçando-se a corrente em um resistor R3=(1-s).

C

e





P

12

s

(1  s )

 3.

1
1
.V 2 P . I '2 .
(1  s )
s

[4.14]

O termo V2P/s corresponde à queda de tensão no resistor R3 . Assim, a corrente em R3
pode ser obtida por:

I

R3



V

2P

(1  s ). s

[4.15]

Dessa forma, o conjugado eletromagnético será expresso por

C

e

 3.

V

2P

(1  s ). s

. I '2  3. I R 3 . I '2

[4.16]

A Fig. 4.2 mostra a inclusão da fonte de tensão vinculada e do resistor R3.


32

Fig. 4.2 Circuito equivalente para obtenção do conjugado eletromagnético

Um exemplo de curva característica:
Seja como exemplo, um motor de indução, de rotor bobinado, 4 pólos, 0,37 kW, 220V,
1,64A, 60Hz e conectado em delta (), que foi submetido aos ensaios em vazio e em curtocircuito. Os dados obtidos estão apresentados na tabela 4.1.
TABELA 4.1 ENSAIO EM VAZIO E EM CURTO-CIRCUITO
Ensaio

em

vazio

Ensaio

em

curto

Vo (V)

Io (A)

Po(W)

F.P.vazio

Vcc(V)

Icc(A)

Pcc(W)

F.P.curto

214

0,95

58,6

0,17

10

0,26

2,3

0,50

200

0,86

52,3

0,17

20

0,51

8,9

0,49

190

0,80

48,1

0,18

30

0,74

18,8

0,50

180

0,74

43,6

0,19

40

0,99

33,7

0,49

170

0,68

40,7

0,22

50

1,23

50,6

0,50

160

0,64

37,9

0,22

60

1,55

81,4

0,50

150

0,59

36,0

0,23

70

1,82

114,0

0,50

140

0,55

34,6

0,25

130

0,51

31,5

0,28

120

0,47

30,7

0,31

110

0,43

28,9

0,34

100

0,40

27,8

0,38

90

0,37

26,2

0,45

80

0,34

24,5

0,53

70

0,31

24,6

0,60

As perdas por atrito e ventilação (Pa) foram determinadas através da Fig. 4.3 e são
consideradas constantes e iguais a 10 Watts.

33

Fig. 4.3 Gráfico da Potência em Vazio (Po) em função da Tensão (Vo)
Os parâmetros do motor foram calculados e estão referidos ao estator , conforme relação abaixo:
R1=15,16 

R’2=15,16 

Xmag=393,94 

X1=29,9 

X’2=29,9 

RP=2826,91 

A velocidade síncrona pode ser obtida da freqüência de alimentação e do número de
pólos do motor, resultando s=188,5 rad/s. Desta forma o ganho da fonte de tensão vinculada E2
do circuito equivalente da Fig. 4.4 será 5,305 * 10 –3.


34

Fig. 4.4 Circuito equivalente do motor no PSPICE
A potência útil do motor na condição de plena carga corresponderá à potência
eletromagnética (Pe) dissipada no resistor Rr descontadas as perdas por atrito e ventilação (Pa),
conforme [4.8].

Fig.4.5 Curva característica da potência útil

Simulando-se o circuito da Fig. 4.4 pode-se obter do gráfico da Fig. 4.5, a potência útil
(0,37 kW) e consequentemente determinar o escorregamento nominal, aproximado de
56,55*10-3.
Pode-se calcular a potência fornecida ao motor através da expressão [4.1]. Para tanto, do
circuito simulado, obtém-se a corrente de linha:
I1 = 1,65-40,05



cos=0,765

Resultando em uma potência fornecida pelo motor de 481,29W.


35

Para verificar-se a eficiência do modelo, pode-se efetuar um balanço energético
Potência fornecida pelo motor

481,29W

(1)

Potência dissipada no cobre no estator

41,60W

(2)

Perdas no ferro

38,71W

(3)

Potência dissipada no cobre no rotor

22,91W

(4)

Perdas por atrito e ventilação

10W

(5)

Potência mecânica (1)-(2)-(3)-(4)-(5)

368,07W

Considerando os desvios de aproximações efetuadas, o resultado confirma o valor de
370W, previsto para a potência mecânica.
A Fig. 4.6, permite verificar o comportamento da corrente e do conjugado do motor em
função do escorregamento.
Pode-se observar os valores de conjugado de partida, máximo e nominal e da corrente
nominal e de partida.

Fig. 4.6 Curva conjugado x escorregamento.
A seguir, é apresentado os valores calculados utilizando os parâmetros do circuito
equivalente do motor:
Conjugado de Partida = 2,41Nm
Conjugado Máximo = 4,53 Nm


36

Conjugado Nominal = 2,15 Nm
Corrente Nominal = 1,64 A
A confrontação dos valores simulados com os valores calculados, mostra novamente a
eficiência do modelo utilizado.
I) Com os dados da experiência nº 3 – máquina assíncrona, simule o motor de indução de rotor
bobinado no Pspice e construa os seus gráficos característicos:
- Conjugado x Escorregamento
- Corrente de Linha x Escorregamento
- Potência Mecânica x Escorregamento
II) Confronte os valores dos conjugados de partida, máximo e nominal e da corrente nominal e
de partida, simulados no Pspice com os valores calculados utilizando o circuito equivalente do
motor.
III) Calcule um resistor para ser inserido no rotor para obter torque máximo e simule novamente
para verificar as curvas de:
- Conjugado x Escorregamento
- Corrente de Linha x Escorregamento
IV) Como varia o torque máximo com a resistência rotórica?
V) Como varia o torque de partida com a resistência rotórica?
VI) Como varia a corrente de partida com a resistência rotórica?


37


Título : Acionamentos Elétricos para as Máquinas Assíncronas.

Objetivos :
I) Verificar o comportamento da F.E.M. rotórica e da freqüência em uma máquina assíncrona.
II) Verificar as curvas características da máquina assíncrona através do ensaio em vazio e
bloqueado, e obter os parâmetros do circuito equivalente.

01 medidor de energia
01 tacômetro
Rotor de Anéis
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1700 RPM / 60 HZ
Rotor em Curto-Circuito
220V/380V/440V
0,94A / 0,54A/ 0,47A
0,18kW/0,25CV / 1670 RPM / 60 HZ / =66% / F.S. = 1,15
Ip/In = 3,7; Isolação Classe F

Resumo Teórico :
Esse resumo teórico foi extraído do trabalho de conclusão de curso de engenharia elétrica
do ano de 2011 da Faculdade de Engenharia de Sorocaba, intitulado como Acionamentos de
motores de indução através das técnicas de controle escalar e vetorial, de autoria de Cícero
Benedito Camargo, sob a orientação do professor Joel Rocha Pinto.


38

Quando um motor de indução é colocado em operação, no período de partida, ele absorve
uma grande quantidade de corrente e isso pode trazer consequências que prejudicam a rede no
qual ele está sendo alimentado e além de disso, devido à grande potência consumida, a
temperatura aumentará, podendo danificar os enrolamentos e atuar as proteções para a qual ele
foi dimensionado. (AZEVEDO, MENDES, 2008, p.29).
De acordo com MAMEDE (2007), no intervalo de partida de um motor de indução, ele
exige da rede elétrica uma grande quantidade de corrente, que pode ser de 6 a 10 vezes maior
que a corrente nominal.
Quanto maior o tempo até sua velocidade nominal, maior será o desgaste devido à
sobrecorrente e dependendo da corrente absorvida, uma queda de tensão na rede ocorrerá,
podendo afetar equipamentos ligados no mesmo circuito. (AZEVEDO, MENDES, 2008, p29)
Se a queda de tensão durante o tempo de partida, segundo MAMEDE (2007), for muito
significativa, pode acarretar a parada do motor, pois ele ficará limitado a tensões abaixo dos
valores estabelecidos. Através da tabela 5.1, é possível analisar o limite de tensão que os motores
de indução podem operar.
Tabela 5.1 – Limite de tensão em % e consequentes efeitos no sistema
Tensão em % de Vnm
85

Conseqüências
Contatores da classe 600 Volts deixam de
operar
Motores síncronos e assíncronos deixam de

76

operar quando submetidos a 115% da
potência nominal

71
67

Motores de indução deixam de operar
quando submetidos à plena carga
Motores síncronos deixam de operar
Fonte: (MAMEDE, 2007)

A fim de diminuir a corrente de partida, controlar a velocidade, torque e precisão, alguns
meios de partidas e controles para motores de indução serão apresentados neste capítulo.
Existem diversas formas de se fazer o acionamento elétrico para motores de indução e
isso vai depender do tipo de aplicação. Para isso, é necessária a elaboração do projeto e cálculo
do motor que se utilizará, dependendo da carga mecânica que for aplicada ao eixo. Se o motor
assíncrono for de baixa potência e a carga que ele for arrastar é baixa, pode-se utilizar a partida

39

direta. Para uma carga mecânica alta, o motor deverá ser projetado para carregar esta carga, sem
afetar a rede elétrica que o mesmo estiver sendo alimentado. Para isso, são necessários outros
meios de partida, já que, de acordo com a normas estabelecidas, motores acima de 5 CV deverão
ser acionados através de dispositivos que reduzam a corrente de partida.
Os tipos mais utilizados para acionamentos de motores de indução são:
Partida Direta
Esse tipo de partida destina-se a motores de baixa potência e que de preferência seja feita
sem carga. Pode ser considerado o sistema mais simples de partida de motores, pois necessita
apenas de contatores,disjuntores e chaves para manobras.
Motores de baixa potência podem ser acionados por este método, desde que a corrente de
partida seja menor que a corrente nominal da rede. (MAMEDE, 2007, p.268)
A figura 5.1 ilustra um caso de partida direta.

Figura 5.1 – Partida Direta de um motor de indução trifásico
Fonte: (SIQUEIRA ELÉTRICA)

Caso a partida direta não seja possível, pode se escolher dentre outros métodos para
controlar a corrente de partida.
Partida Estrela – Triângulo
Quando a potência do motor for elevada e este tiver que acionar uma carga mecânica alta,
a fim de se reduzir a corrente na partida, um método bastante utilizado é a chave estrelatriângulo, pois apresenta um custo baixo, dimensões aceitáveis, baixa queda de tensão no período
da partida e alto número de manobras. (MAMEDE, 2007, p. 269)

40

Para este tipo de acionamento, o motor deverá ter pelo menos seis bornes de ligação e
devem ser projetados para trabalhar em diferentes tensões. Com o auxílio da tabela 5.2, é
possível verificar para quais tensões este tipo de ligação pode ser aplicado. (WEG, 2010, p.D13)
Tabela 5.2 - Ligações possíveis para partida estrela – triângulo
Ligação dos

Tensão de

Partida com chave

enrolamentos(V)

Alimentação

Estrela - Triângulo

220/380

220

Possível em 220 V

220/380

380

Não possível

220/380/440

220

Possível em 220 V

220/380/440

380

Não possível

220/380/440

440

Não possível

380/660

380

Possível em 380 V

220/380/440/760

220

Possível em 220 V

220/380/440/760

380

Não possível

220/380/440/760

440

Possível em 440 V


Neste tipo de partida, a corrente e o torque são reduzidos a 1/3, ou aproximadamente
entre 25% e 33% da corrente de partida nominal. (MAMEDE, 2007, p.269)
O motor parte na configuração estrela e após uma determinada velocidade passa para
triângulo, operando então, pelas condições nominais de operação.
Na ligação estrela – triângulo, o conjugado do motor na partida estrela, tem que ser maior
que o conjugado da carga e a velocidade têm que atingir aproximadamente 90% da velocidade
nominal para depois passar para triângulo, do contrário, esse tipo de partida não apresenta
vantagens.
O esquema de ligação de uma partida estrela – triângulo pode ser vista na figura 5.2 e a
curva da corrente I/In pela velocidade em RPM é mostrada na figura 5.3.


41

Figura 5.2 - Partida de um motor de indução trifásico utilizando o método Y/∆
Fonte: (GEOCITIES, 2011)

Figura 5.3 – Curva de partida I/In por RPM
Fonte: (WEG, 2010)


42

Partida Com Autotransformador
Quando se faz necessária a partida de motores sob carga, a partida com chave
compensadora, conhecida também como partida com autotransformador pode ser utilizada.
A função desse autotrafo é diminuir a tensão na partida, podendo assim, diminuir a
corrente de pico. Isso é feito através de combinações de ligações entre o autotransformador e o
estator. As conexões estrela são acessíveis no ciclo de partida e é fechada quando o motor fica
sob a tensão da rede.
É utilizada mais nas partidas de motores maiores, com potência maior, como por
exemplo, calandras e britadores. (MAMEDE, 2007, p.270).
Na figura 5.4, é possível verificar o esquema de um motor com partida através de chave
compensadora.

Figura 5.4 – Partida com autotransformador
Fonte: (GEOCITIES, 2011)

Esse tipo de partida tem um custo mais elevado que a partida feita através da chave
estrela-triângulo, além disso, é necessário um espaço maior para instalação, pois é utilizado um
autotransformador e por este motivo, sua utilização limita-se a casos especiais, citados acima.
Uma vantagem apresentada é que ele consegue um controle na corrente de partida que equivale a
aproximadamente a corrente de acionamento Y- ∆, com um TAP de 65%. (MAMEDE, 2007,
p.270)


43

Partida PW (Partida Dividida)
Um método pouco conhecido, mas bastante utilizado principalmente para a partida de
motores na área de refrigeração, é a chamada partida PW.
Para realizar este tipo de acionamento, o motor deve possuir 12 pontas e o estator é
dividido em duas partes, podendo ser Y/YY ou ∆/∆∆. (BITZER, 2011)
Como os enrolamentos estão dispostos paralelamente no estator, é possível realizar a
partida por partes, utilizando-se um relé de tempo. A vantagem que ao mudar de estado, a
corrente não sofre pico, amenizando os efeitos transitórios, o que pode ser verificado na figura
5.7. Para isso, o tempo não deve ultrapassar 0,5 segundos.
Além disso, outro fator que gera economia é a utilização de apenas dois contatores.
Nas figuras 5.5 e 5.6 são ilustrados os tipos de ligações disponíveis para este método de
partida.

Figura 5.5 – Partida PW na configuração Y / YY
Fonte: (BITZER,2011)


44

Figura 5.6 – Partida PW na configuração ∆/∆∆
Fonte: (BITZER, 2011)

Figura 5.7 – Características da corrente de partida
PW1 Partida Dividida 1
PW2 Partida Dividida 2
Fonte: (BITZER, 2011)


45

Partida com Soft Starter
Atualmente é possível realizar a partida de motores de indução utilizando equipamentos
com tamanhos reduzidos e controlados eletronicamente.
Isso se deve ao fato do avanço da microeletrônica combinado com a eletrônica de
potência.
O Soft Starter é um dispositivo capaz de efetuar além do controle de partida, o controle
de frenagem e torque e, com isso, consegue manter a corrente de partida muito próxima da
corrente nominal com baixa variação durante todo o período de tempo da partida. (WEG, 2010, p
D15)
Essa chave estática, como também é chamada, faz o chaveamento aos terminais do motor
através de tiristores (SCR) ligados em conjunto, sendo um conjunto para cada fase do sistema.
Através de um circuito microcontrolado, pode se ajustar alguns parâmetros que irão disparar
esses tiristores, fazendo um controle suave de partida. Um soft starter da marca WEG pode ser
visto na figura 5.8.

Figura 5.8 – Soft Starter Weg, modelo SSW 07
Fonte: (RM MOTORES)
Para ser possível o controle fino de corrente de partida, o soft starter oferece um ajuste de
tensão inicial de partida (tp) e um tempo de ciclo (tc) pré determinado para que o motor acelere
até a velocidade nominal e consequentemente obtenha a tensão nominal da rede. Com isso,
segundo AZEVEDO e MENDES (2008), picos de correntes são evitados e o conjugado de


46

aceleração é amenizado, evitando desgastes em peças mecânicas e amenizando efeitos na rede
elétrica.
Na figura 5.9, pode se analisar a tensão de partida em função do tempo de partida.

Figura 5.9 – Comportamento da tensão em função do tempo de partida
Fonte: (MAMEDE, 2007, p. 272)
Esse tempo até a velocidade nominal faz a corrente de partida ter um comportamento
parecido com a tensão de partida e com isso, não se tem picos que ocorrem em outros meios de
acionamentos. Isso pode ser visualizado na figura 5.10.

Figura 5.10 – Comportamento da corrente em função da velocidade e tempo de partida
Fonte: (MAMEDE, 2007, p. 273)

O ajuste do tempo de aceleração e a tensão inicial irão depender do tipo de carga que a
chave irá acionar. Portanto, é importante ter pleno domínio do projeto ao qual este sistema será
implantado. Para o cálculo da tensão inicial, a equação 5.1 é apresentada abaixo:


47

√

(5.1)

Onde:
Vp = tensão inicial;
Vnm = tensão nominal do motor;
Cnm = conjugado nominal do motor;
Ci = conjugado nominal da carga no momento da partida;
Cp = conjugado nominal do motor no momento da partida;

Além da equação da tensão inicial, a equação 5.2 é mostrada. Ela representa a equação do
tempo de partida.
(5.2)
Onde:
Tp = tempo de partida;
Tpd = tempo de partida do motor ligado diretamente a rede de alimentação;
As vantagens apresentadas pelo soft starter no ciclo de partida também são válidas para a
parada da máquina de indução. Esse tipo de controle se faz necessário quando uma parada por
corte total de tensão pode acarretar danos a produtos e a pessoas. MAMEDE (2007) explicita que
esta configuração de parada é amplamente utilizada em escadas rolantes e esteiras
transportadoras de produtos.
A rampa de desaceleração pode ser ajustada geralmente de 0 a 20 segundos, dependendo
da carga que se deseja controlar.
Na característica mais utilizada, ou seja, a partida controlada, o valor da corrente pode ser
obtida através da equação 5.3.
(5.3)
Onde:
Ipi = corrente inicial na partida;
Ipm = corrente de partida do motor conectado na rede diretamente;
Vm = tensão nominal nos terminais do motor no instante da partida.
Vnm = tensão nominal do motor


48

Pico de tensão de partida
O soft starter possui uma função chamada Pulso de Tensão de Partida. Através deste
ajuste, é possível auxiliar as cargas de inércia elevada a começar o processo de movimento. Para
isso, o pulso de tensão deverá estar ajustado para valores entre 75 a 90% da tensão nominal da
rede. A desvantagem é que, ao habilitar esta função, o motor estará exposto a variações de picos
de corrente, limitando seu uso a casos especiais. (MAMEDE, 2007, p273)

Tiristores
Como já mencionado, o controle de tensão é realizado por tiristores do tipo SCR. Esses
retificadores controlados de silício, são componentes com 4 ou mais camadas PN e com isso,
podem ser comutados para condução ou corte (AZEVEDO,MENDES, 2008, p 31)
A simbologia de um tiristor é mostrada na figura 5.11.

Figura 5.11 – Simbologia de um Tiristor
Fonte: (SAPO SABER, 2011)

Observa-se na figura 5.10 que a simbologia é parecida com a de um diodo semicondutor.
Na verdade, seu princípio de funcionamento é basicamente o mesmo, diferenciando pelo terceiro
terminal, o chamado gate (disparo).
De acordo com AZEVEDO e MENDES (2008), o tiristor é acionado com apenas um
pulso no disparo, diferente do que acontece com transistores, onde é necessário manter um sinal
contínuo no terminal de base. Uma característica que diferencia os tiristores, é que ao receber um
pulso no gate, ele não retorna ao estado inicial, até que uma corrente inversa seja aplicada.


49

Reostato de partida do motor bobinado ou de anéis
O rotor bobinado, também chamado de rotor de anéis é neste caso, um enrolamento
trifásico alojado sobre o cilindro rotórico. (FALCONE, 1979, p.324)
Destinam-se a aplicações em que se faz necessário um elevado conjugado de partida com
a corrente reduzida, como por exemplo, bombas centrífugas. Além disso, são utilizados em
aplicações de regulagem de velocidade e frenagem. Para isso, um reostato é interligado com os
enrolamentos do rotor.
Nessa configuração, os terminais dos enrolamentos são levados ao meio externo,
possibilitando a interligação e a modificação nas características da máquina.
Um motor de rotor bobinado com um reostato acoplado pode ser visto na figura 5.12.

Figura 5.12- Motor de rotor bobinado com reostato acoplado

Com isso, é possível se ter um alto torque na partida com baixa rotação e corrente
controlada.
A figura 5.13 mostra o gráfico de velocidade e conjugado de um motor com rotor
bobinado, utilizando resistores para controlar diversas camadas de acionamentos.


50

Figura 5.13- Curva de velocidade e conjugado para partidas com resistores
Fonte: (PINTO, 2010)

É possível verificar no gráfico da figura 5.13 que pode - se obter um conjugado alto com
velocidades baixas, e, adicionando ou retirando-se resistores nas bobinas do rotor, o torque pode
ser modificado em função da velocidade.

I) Motor Bobinado com reostato de partida.
1. Montar o circuito conforme a figura 5.14.
2. Ligar o estator em 220V -  e o rotor com todas as resistências (reostato na posição 1 à
esquerda) inseridas. Aplicar a tensão de 220V no estator e medir: IPARTIDA e Velocidade.
3. Medir novamente as IPARTIDA e Velocidade, retirando as resistências rotóricas (reostato na
posição 2 à direita)
4. Esboce o gráfico Torque x Velocidade para as duas condições anteriores.

FIGURA 5.14


51

II) Partida Estrela/Triângulo.
2. Ligar o estator em 380V - YY e o rotor curto- circuitado. Aplicar a tensão de 220V no estator
e medir: IPARTIDA para a ligação estrela.
3. Ligar o estator em 220V -  e o rotor curto- circuitado. Aplicar a tensão de 220V no estator e
medir: IPARTIDA para a ligação triângulo.

FIGURA 5.15
III) Partida PW (partida dividida) na configuração ∆/∆∆.
2. Ligar o estator em  (K1) e aplicar a tensão de 220V no estator e medir: IPARTIDA para a
ligação .
3. Ligar o estator em  (K1 e K2) e aplicar a tensão de 220V no estator e medir: IPARTIDA para a
ligação .

FIGURA 5.16


52

IV) Partida com Soft Starter .
1. Ligar o estator em  - 220V e através da soft starter medir a tensão inicial de pedestal e a
corrente de partida para as seguintes condições:
O tempo de aceleração e desaceleração pode ser ajustado de 0 a 20 segundos, mas ajuste para 10
segundos tanto a aceleração quanto a desaceleração.

CONDIÇÕES:

VPEDESTAL (V)

IPARTIDA (A)

Ajuste da tensão inicial na
posição mínima.
posição intermediária.
posição máxima.
TABELA 6.1

Questões
1. Comente sobre os tipos de acionamentos elétricos utilizados, analisando as respectivas
grandezas elétricas obtidas no experimento realizado.


53


Título : Máquina de Corrente Contínua

Objetivo :
Verificar as curvas características da máquina de corrente contínua em vazio e com carga, ligada
com excitação independente, paralela, série e composta.

01 reostato trifásico
01 gaiola resistiva
01 tacômetro
Excitação principal: 642
Armadura: 6,9
Excitação Série: 4,2
Interpólo: 3,6
Rotor de Anéis
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1700 rpm / 60 HZ


54


I) Gerador C.C. - excitação independente (em vazio) :
2. Alimentar a máquina assíncrona (motor de indução) com a tensão nominal (F2) e
com o reostato do rotor na posição “0”, medir a rotação n1
3. Mantendo a rotação constante, variar a corrente de excitação através da fonte F5
(0-220Vcc) e de Rd ; medir Iexc e Vo, preenchendo a tabela 6.1
4. Repetir os itens 2 e 3 para o reostato na posição “2”
5. Construir o gráfico Vo x Iexc para as duas rotações.

FIGURA 6.1

n1=
Iexc ( A )
0

n2=
Vo ( V )

Iexc ( A )

Vo ( V )

0

TABELA 6.1


55

II) Gerador C.C. - excitação independente (com carga) :
2. Alimentar a máquina assíncrona (motor de indução) com a tensão nominal.
3. Ajustar em vazio a tensão de 220V (Vo), utilize Rd . Ligando as cargas uma a uma, medir a
tensão Vc e a corrente Ic. Preencher a tabela 6.2.
4. Construir o gráfico Vc x Ic.
Assegurar de que a Iexc permaneça constante.

FIGURA 6.2
Carga Resistiva – 3
Resistências em SÉRIE
POS 1 = 540
POS 2 = 270
POS 3 = 180
POS 4 = 135
POS 5 = 108

Vc ( V )

Ic ( A )

TABELA 6.2

III) Gerador C.C. - excitação paralela (em vazio) :
3. Com as cargas desligadas, variar Rd e medir Iexc e Vc. Preencher a tabela 6.3.
Vc x Rexc (característica de regulação)
Vc x Iexc


56

IV) Gerador C.C. - excitação paralela (com carga) :
2. Ajustar em vazio a tensão de 220V (Vo) e ligando as cargas uma a uma, medir a tensão Vc e a
corrente Ic. Preencher a tabela 6.4.

FIGURA 6.3

Iexc ( A )

Vc ( V )

Rexc (  )

TABELA 6.3
Vc ( V )
POS 1 = 540
POS 2 = 270
POS 3 = 180
POS 4 = 135
POS 5 = 108

Ic ( A )

TABELA 6.4


57

V) Gerador C.C. - excitação série (com carga) :
2. Alimentar a máquina assíncrona com tensão nominal (220V).
3. Ligando as cargas uma a uma, medir Ic e Vc. Preencher a tabela 6.5.

FIGURA 6.4
Vc ( V )
POS 1 = 540
POS 2 = 270
POS 3 = 180
POS 4 = 135
POS 5 = 108

Ic ( A )

TABELA 6.5


58

VI) Gerador C.C. - excitação composta (com carga) :
3. Ajustar em vazio a tensão de 220V (Vo) e ligando as cargas uma a uma, medir a tensão Vc e a
corrente Ic. Preencher a tabela 6.6.

FIGURA 6.5
Vc ( V )
POS 1 = 540
POS 2 = 270
POS 3 = 180
POS 4 = 135
POS 5 = 108

Ic ( A )

TABELA 6.6

Questões
1. Comente sobre os gráficos obtidos e sobre as vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de
excitação da máquina de corrente contínua.


59



Objetivo :
Verificar as características de rotação, tensão e corrente de uma máquina de corrente contínua
com excitação independente, funcionando como motor.

01 tacômetro
Armadura: 6,9
Interpólo: 3,6

Motor C.C. - excitação independente (em vazio) :
1. Montar o circuito da figura 7.1.
2. Aplicar 150V na fonte F3 (0-300Vcc) e medir a rotação variando Iexc (0,15-0,3máx.).
3. Aplicar 200V na fonte F3 (0-300Vcc) e medir a rotação variando Iexc. (0,15-0,3máx.).
4. Preencher a tabela 7.1.
5. Construir o gráfico n(rotação) x Iexc para os dois casos.
6. Ajustar a Iexc para 0,15A e variando a tensão da armadura Va medir a rotação. Preencher a
tabela 7.2.
7. Repetir o item anterior para Iexc máxima = 0,3A.
8. Construir o gráfico n(rotação) x Va para os dois casos.


60

FIGURA 7.1
V = 150 volts
Iexc ( A )
n ( rpm )

V = 220 volts
Iexc ( A )

n ( rpm )

TABELA 7.1

Iexc = 0,15A
Va ( V )

Iexc = 0,30A
n ( rpm )

Va ( V )

n ( rpm )

TABELA 7.2

Questões :


61



Objetivo :
Determinar a constante de torque k da máquina de corrente contínua - excitação independente.

01 tacômetro
Armadura: 6,9
Interpólo: 3,6
Rotor de Anéis
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1700 RPM / 60 HZ


62

Resumo Teórico :
A potência eletromagnética desenvolvida pela armadura é:
PEletro.  TE .w  E.I a

[8.1]

Onde:
Te = torque eletromagnético desenvolvido
w = velocidade angular da armadura
Ia = corrente da armadura
E = tensão induzida na armadura

Sabendo que a tensão induzida na armadura E é aproximadamente igual à tensão gerada
em vazio Vo, tem-se:

E  K.wo  Vo
K 

Vo
V
[
]
wo rad / s

[8.2]

Também pode-se dizer que:
PEletro.  TE .w  E. I a
TE .w  K.w. I a
K 

[8.3]

TE Nm
[
]
Ia A


63


I) Gerador C.C. - excitação independente (em vazio) :
2. Alimentar a máquina assíncrona (motor de indução) com a tensão nominal de 220V (F2) e
com o reostato do rotor na posição “0”, medir a rotação n1.
3. Mantendo a rotação constante n1, variar a corrente de excitação através da fonte F5 (0220Vcc) e de Rd; medir Iexc e Vo, preenchendo a tabela 8.1
4. Repetir os itens 2 e 3 para o reostato na posição “2”, rotação n2.
5. Construir o gráfico Vo x Iexc para as duas rotações.
6. Construir o gráfico da constante de torque k x Iexc para as duas rotações.

FIGURA 8.1

Iexc ( A )

n1 =
Vo ( V )

0

K=Vo/wo
( V/rad/s )

n2 =
Iexc ( A ) Vo ( V )

K=Vo/wo
( V/rad/s )

0

TABELA 8.1

Questões :
1. Analise a constante de torque k para as duas velocidades.


64



Objetivo :
Determinar as perdas rotacionais da máquina de corrente contínua como motor de excitação
independente, em vazio.

01 tacômetro
Armadura: 6,9
Interpólo: 3,6

Resumo Teórico :
Observando circuito do motor CC – excitação independente em vazio da figura 9.1 e
considerando apenas a parte representativa da armadura (circuito de armadura), tem-se que a
potência elétrica consumida pelo motor é igual à potência mecânica desenvolvida na ponta do
eixo somada às perdas mecânicas e elétricas inerentes ao sistema, tal que:
PElétrica  Va .I a  Pmecânica  Perdas

[9.1]

Como o ensaio do motor está sendo executado em vazio, isto é, sem carga acoplada ao
eixo, pode-se dizer que a potência mecânica desenvolvida é nula, o que resulta em:

PElétrica  Perdas

[9.2]

Pode-se dividir as perdas em elétricas, sendo estas decorrentes de fluxos dispersos,
correntes parasitas, ciclos de histerese e perdas por efeito Joule nos enrolamentos, e perdas
mecânicas como perdas por atrito nos mancais, atrito entre escovas e comutador, perdas por
ventilação da própria máquina, entre outras. Assim:

65

Perdas  Perdasmecânicas  Perdas Ferro  Perdas Joulenosenrolamentos

[9.3]

Onde os termos podem ser expandidos para:
Perdas mecânicas  Perdas Ferro  Perdas Rotacionai  Wrot.
s

[9.4]

E
2
Perdas Joulenosenrolamentos  Ra .I a

[9.5]

Considerando, então que as perdas no ferro (Wferro) são as mais significativas e são
formadas pelas perdas histeréticas e pelas correntes de Foucault, considerando também que
ambas variam com o quadrado da tensão, tem-se:

W ferro  Whist.  WFoucault  KV 2
W ferro  KV 2

[9.6]

E estando a máquina em vazio as perdas joule nos enrolamentos são desprezíveis, podese dizer que:

Perdas  Perdas mecânicas  Perdas Ferro  Perdas Joulenosenrolamentos
2
Perdas  Perdas mecânicas  Perdas Ferro  Ra . I a

Perdas  Perdas mecânicas  Perdas Ferro  Perdas Rotacionais  Wrot.

[9.7]

Wrot.  Wmec .  W ferro


66

Como forma de entendimento, é apresentado o gráfico das perdas rotacionais em função
da tensão da armadura, na figura 9.2. Onde tem-se em destaque as tensões de armadura Vn e Vn/2,
com as respectivas perdas KVn2 e KVn2/4, ou em outras palavras Wferro e Wferro/4.

Wrot.(W)

Wrot.
Wferro

Wmec.

Va(V)
Vn/2

Vn

Fig. 9.2 Gráfico das Perdas Rotacionais em função da Tensão da Armadura.

Através das equações apresentadas e do gráfico empírico da figura 9.2, pode-se
determinar a variação das perdas rotacionais e consequentemente a perda no ferro e as perdas
mecânicas, tal como se segue:

Wrot.(Vn Vn / 2 )  Wrot.(Vn )  Wrot.(Vn / 2 )
Wrot.(Vn Vn / 2 )  KV 2 

KV 2 3
 KV 2
4
4

[9.8]

3
Wrot.(Vn Vn / 2 )  W ferro
4


67

Motor C.C. - excitação independente (em vazio) :
2. Ajustar a Iexc para 0,30A (Fonte F5) e variando a tensão da armadura Va através da fonte F3,
ajuste a velocidade da máquina para 1800 RPM
3. Através do controle de campo (Fonte F5) e do controle da armadura (Fonte F3), obtenha os
valores da tensão da armadura Va e da corrente da armadura Ia, mas mantendo a rotação
constante em 1800RPM. Atenção para a corrente de campo (Fonte F5), pois a mesma não
poderá ser zerada em hipótese alguma, senão a máquina disparará perigosamente. Utilizar
no mínimo Iexc.= 0,10A.
4. Preencher a tabela 9.1.
5. Repetir os itens 2 e 3 e preencher a tabela 9.2 para uma velocidade constante de 1400RPM.
5. Construir o gráfico das perdas rotacionais x Va para os dois casos.

FIGURA 9.1
Iexc (A)
0,30

Va (V)
Ia (A) PEletro=Perdas (W) PJoule (W)
Protacionais (W)
250
240
230
220
210
200
190
0,13
180
Velocidade constante de 1800 RPM (nominal)
Variação das perdas rotacionais (Wrot.)
Perdas no ferro (Wferro)
Perdas mecânicas (Wmec.)
TABELA 9.1


68

Iexc (A)
0,30

0,13

Va (V)
200
190
180
170
160
150

Ia (A)

PEletro=Perdas (W) PJoule (W)

Protacionais (W)

Velocidade constante de 1500 RPM
Variação das perdas rotacionais (wrot.)
Perdas no ferro (Wferro)
Perdas mecânicas (Wmec.)
TABELA 9.2

Questões :
1. Explique os gráficos obtidos e o procedimento para determinar as perdas mecânicas.


69



Objetivo :
Determinar a curva característica torque em função da velocidade da máquina de corrente
contínua - excitação independente.
Determinar a curva de potência em função da velocidade da máquina de corrente contínua excitação independente.

01 tacômetro
Armadura: 6,9
Interpólo: 3,6
220V/380V/440V/760V
1,6A / 0,9A/ 0,8A/ 0,5A
0,3kW / 1800 rpm / 60 HZ


70

2. Ajustar a Iexc para 0,30A (Fonte F5) e variar a tensão da armadura Va através da fonte F3 de
120V até 230V, mantendo a corrente da armadura constante no seu valor nominal de Ia = 1,6A
através da ação no reostato Rexc. (0-10) da excitatriz da máquina síncrona.
3. Através do controle de campo (Fonte F5) e do controle da armadura (Fonte F3), preencha a
tabela 10.1 Atenção para a corrente de campo (Fonte F5), pois a mesma não poderá ser
zerada em hipótese alguma, senão a máquina disparará perigosamente. Utilizar no mínimo
Iexc.= 0,15A.

FIGURA 10.1

CAMPO
Iexc(A)

Vexc(V)

0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3

0,17

ARMADURA
Ia(A)

Va(V)

1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6

K(V/rad/s)
Através do gráfico
k x Iexc da exp. 8

n(RPM)

TORQUE

Potência

Te=KIa
(Nm)

Pmec.=T.w
(W)

SÍNCRONA
Iexcitatriz(A)

Vc(V)

120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
230
230
230
230
230
230
230

2,0

100

1,25

145

TABELA 10.1


71

Questões :

1. Construir, comentar e explicar os gráficos:
- Tensão da armadura em função da velocidade.
- Tensão do campo em função da velocidade.
- Torque desenvolvido em função da velocidade.
- Potência em função da velocidade.


72

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