Máquinas Eléctricas
Ensaios de Máquinas Eléctricas
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Ensaios Económicos de um Transformador Trifásico rftg.development.googlepages.com Data de criação: 31 de Março de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Electrótecnia Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaios Económicos de um Transformador Trifásico 31-03-2004 Trabalho elaborado por: Indice Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Valores Previstos ------------------------------------ 5 Esquema de Montagem ----------------------- 5 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 8 Conclusão ------------------------------------------- 9 Bibliografia -------------------------------------------- 9 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Objectivo − Obtenção do circuito equivalente simplificado por fase referido ao primário; − Determinação da tensão de curto-circuito nominal – Z2I2n; − Determinação da queda de tensão óhmica nominal – R2I2n; − Determinação da queda de tensão reactiva nominal – X2I2n; − Determinação do triângulo de Kapp; Introdução Tal como conhecido, o principal campo de aplicação dos transformadores é o transporte e distribuição de energia eléctrica, assim, e devido ao facto de este sistema utilizar quase exclusivamente o sistema trifásico de tensões surge a necessidade do transformador trifásico. Este tipo de transformador surgiu da junção de três transformadores monofásicos iguais entre si, de modo a constituírem um sistema trifásico. Esse conjunto de transformadores monofásicos, ligados de forma a realizar uma transformação trifásica, constitui um banco de transformadores monofásicos. Ao alimentarmos os primários de cada transformador por um sistema trifásico de tensões obtemos um sistema trifásico de fluxos: Φ Ι + Φ ΙΙ + Φ ΙΙΙ = 0 Fig. 1- Banco de transformadores monofásicos Logo efectuarmos a fusão numa só coluna, das três colunas centrais, nela não circulará qualquer fluxo, podendo-se suprimir, passando assim a dispormos de um só circuito magnético que conterá seis enrolamentos. Teremos assim um transformador trifásico. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Fig. 2 – Transformador trifásico de 3 colunas Os dois extremos dos enrolamentos de uma mesma coluna têm a mesma polaridade se simultaneamente (devido ao fluxo comum) possuírem potencias positivos (ou negativos) em relação aos outros dois extremos. Assim na primeira coluna, A e a representam os dois extremos com a mesma polaridade, sendo os opostos designados por A’ e a’. O mesmo raciocínio é seguido para as colunas B e C. As letras maiúsculas referem-se às tensões mais elevadas e as minusculas às tensões inferiores. Os transformadores trifásicos possuem três formas de ligação, sendo estas a ligação em estrela, triângulo e zigue-zague. A ligação em estrela tem a vantagem de ter o neutro acessível (acesso a tensão composta e tensão simples) e de os enrolamentos terem menor isolamento (porque apenas estão sujeitos à tensão simples). A ligação em triângulo é mais utilizada quando se prevêem correntes elevadas (corrente no enrolamento √3 vezes inferior à na linha) necessitando assim de condutores das espiras de menor secção. A ligação em ziguezague é utilizada quando são previstos grandes desequilíbrios de distribuição de carga pelas três fases (no secundário) , sendo isto conseguido pelo facto de cada enrolamento ser dividido em duas bobines colocadas em duas colunas diferentes, logo, “olhando” do enrolamento primário teremos um sistema mais equilibrado. Fig. 3 – Diferentes tipos de ligação do transformador trifásico e suas principais características Cada tipo de ligação é simbolizado por uma letra, sendo a correspondência a seguinte: I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Estrela – Y (y se no lado da tensão mais baixa); Triângulo – D (d se no lado da tensão mais baixa; Zigue-zague – Z (z se no lado da tensão mais baixa). As ligações de um transformador são ainda caracterizadas pelo índice horário. Este tipo de classificação é obtido quando os diagramas de tensões primárias e secundárias são sobrepostos, e medimos o desfasamento entre uma tensão primária e a sua correspondente secundária em horas como se tratassem de dois ponteiros de relógio (a deslocarem-se no sentido horário), estando o primeiro no zero e o segundo no valor (hora) que caracterizará o desfasamento. Os valores mais comuns são descritos no quadro da página seguinte: Fig.4 – Quadro de valores de desfasamento horário para os tipos de ligações mais comuns I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Valores Previstos o Para o ensaio em vazio: U1n > 450 V; U20 = 300 V; IA0, IB0 e IC0 – na ordem das centenas de mA. o Para o ensaio em curto-circuito: IAcc, IBcc e ICcc = In = 5ª; U1cc – na ordem de 10% de U1n. Esquema de montagem a V1 Autotransformador b c A B V1 400/230V 50 Hz ~ C A Fig.5 – Esquema de montagem para o ensaio em vazio A V1 400/230V 50 Hz ~ Autotransformador C B a b c A Fig.6 – Esquema de montagem para o ensaio em curto-circuito I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Material Utilizado 1- Multímetro digital Fluke 79 III (V1 e V2); 1- Pinça amperimétrica Prova 11 (A); 1- Medidor de potência Fluke 43B; 1- Transformador trifásico de 3 colunas com 4 enrolamentos (cada de 150 V 5 A e resistência a 20ºC de 0,55Ω) por coluna. O secundário é composto pela série dos 2 enrolamentos centrais de cada coluna e o primário pelos externos; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho foi dividido em dois ensaios, o ensaio em vazio e o ensaio em curto-circuito. Ensaio em vazio: - Montou-se o esquema da Fig. 5 - Alimentou-se o secundário, por transformador, com U20=300V - Registaram-se os seguintes valores: IA0=300 mA IB0=212 mA IC0=220 mA Ensaio em curto-circuito: - Montou-se circuito da Fig. 6 (notar que o secundário está curto-circuitado - Alimentou-se o primário, por meio do auto-transformador, até que este obsorve-se a sua corrente nominal (In=5 A) - Registaram-se os seguintes valores: IAcc=5 A IBcc=3,88 A ICcc=4,7 A U1cc=76,6 V PCu=316 W meio do auto- U1n=519 V U20=301 V PFe=75 W I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Cálculos 3 × U1n 3 × 519 = = 2,99 U 20 301 I +I +I 300 + 212 + 220 I 0 = A0 B 0 co = = 244 mA 3 3 PFe 75 cos ϕ 0 = = = 0,59 U1n × I 0 519 × 244 ×10−3 m= R0 = U1n 519 = = 3605 Ω I 0 × cos ϕ 0 244 ×10−3 × 0,59 U 1n 519 = = j 2626 Ω I 0 × senϕ 0 244 ×10−3 × 0,81 senϕ 0 = sen(arccos 0,59) = 0,81 Xm = I Acc + I Bcc + I Ccc 5 + 3,88 + 4,7 = = 4,53 A 3 3 2 I 52 I ≠ I n ⇒ PCun = PCu × n2 = 316 × = 385 W I 4,532 I 5 U1ccn = U1cc n = 76,6 × = 84,5 V I 4,53 PCu 316 = = 0,91 ⇒ ϕ cc = ar cos 0,91 = 24,5º cos ϕ cc = U1cc × I 76,6 × 4,53 I= Z1 = U1cc 76,6 = = 16,9 Ω I 4,53 R1 = Z1 × cos ϕcc = 16,9 × 0,91 = 15,4 Ω X 1 = Z1 × senϕcc = j 7,0 Ω R1 15,4 = = 1,72 = 1,72 ∠0º (Ω ) m 2 2,99 2 X1 7,0 X2 = 2 = = j 0,78 = 0,78∠90 º (Ω ) m 2,99 2 Z 2 = R2 + jX 2 = 1,72 + j 0,78 = 1,89 ∠ 24,4º (Ω ) R2 = U cc 2 n = Z 2 × I 2 n = 1,89 ∠ 24,4 º× 7,85∠ 24,5º = 14,83∠ 48,9º (V ) I 2 n = 3 × I = 3 × 4,53∠ 24,5º = 7,85∠ 24,5º ( A ) Queda de tensão óhmica nominal: U Ωn = R2 × I 2 n = 1,72∠0º×7,85∠24,5º = 13,5∠24,5º (V ) Queda de tensão reactiva nominal: U Rn = X 2 × I 2n = 0,78∠90º×7,85∠24,5º = 5,87∠115º (V ) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Resultados o Circuito equivalente para as três fases simplificado e referido ao primário: I I12 X1 j7,0 ohm I0 R1 15,4 ohm U1n 519 V R01 3605 ohm Xm1 j2606 ohm U12 o Ucc2n=14,83∠49º (V) o UΩn=13,5∠25º (V) o URn=5,87∠115º (V) o Triângulo de Kapp: U 2 = U 20 − U Ωn − U Rn U 20 = 1552∠ − 30º (V ) U 20 = U1n × m = 519 × 2,99 = 1552 V U 2 = 1552∠ − 30º −13,5∠25º −5,87∠115º = 1548∠ − 30,5º (V ) -30º -30,5º U20 U2 URn U 0 NOTA: A escala do diagrama de Kapp encontra-se ligeiramente alterada por forma a poderem ser evidenciados os seus principais detalhes. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Conclusão Após terem sido efectuados todos os cálculos necessários e de se ter analisado os valores obtidos, bem como os registados, tornou-se possível inferir que a teoria inerente ao transformador trifásico se verificou válida, não obstante o facto do transformador ensaiado apresentar algumas deficiências de funcionamento. As deficiências de funcionamento verificadas deveram-se muito provavelmente ao curto-circuito de algumas das espiras dos enrolamentos primário e secundário, isto porque ocorreram discrepâncias, entre as várias correntes medidas nos enrolamentos, demasiadamente significativas para se tratarem apenas de diferenças aliadas à bobinagem dos enrolamentos. Foi também possível verificar que o transformador em causa apresentava um valor de elevado de perdas nos enrolamentos (PCun=385 W) e de perdas no circuito magnético (PFe=75 W). Ao analisar o diagrama de Kapp obtido observa-se que existe um reduzido desfasamento e diferença de amplitude entre U20 e U2, sendo por isto responsável UΩn e URn. Estas diferenças ocorrem pelo facto de o transformador não apresentar o seu comportamento ideal (tal como qualquer outro). Bibliografia o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9
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O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Electrótecnia Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaios Económicos de um Transformador Trifásico 31-03-2004 Trabalho elaborado por: Indice Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Valores Previstos ------------------------------------ 5 Esquema de Montagem ----------------------- 5 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 8 Conclusão ------------------------------------------- 9 Bibliografia -------------------------------------------- 9 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Objectivo − Obtenção do circuito equivalente simplificado por fase referido ao primário; − Determinação da tensão de curto-circuito nominal – Z2I2n; − Determinação da queda de tensão óhmica nominal – R2I2n; − Determinação da queda de tensão reactiva nominal – X2I2n; − Determinação do triângulo de Kapp; Introdução Tal como conhecido, o principal campo de aplicação dos transformadores é o transporte e distribuição de energia eléctrica, assim, e devido ao facto de este sistema utilizar quase exclusivamente o sistema trifásico de tensões surge a necessidade do transformador trifásico. Este tipo de transformador surgiu da junção de três transformadores monofásicos iguais entre si, de modo a constituírem um sistema trifásico. Esse conjunto de transformadores monofásicos, ligados de forma a realizar uma transformação trifásica, constitui um banco de transformadores monofásicos. Ao alimentarmos os primários de cada transformador por um sistema trifásico de tensões obtemos um sistema trifásico de fluxos: Φ Ι + Φ ΙΙ + Φ ΙΙΙ = 0 Fig. 1- Banco de transformadores monofásicos Logo efectuarmos a fusão numa só coluna, das três colunas centrais, nela não circulará qualquer fluxo, podendo-se suprimir, passando assim a dispormos de um só circuito magnético que conterá seis enrolamentos. Teremos assim um transformador trifásico. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Fig. 2 – Transformador trifásico de 3 colunas Os dois extremos dos enrolamentos de uma mesma coluna têm a mesma polaridade se simultaneamente (devido ao fluxo comum) possuírem potencias positivos (ou negativos) em relação aos outros dois extremos. Assim na primeira coluna, A e a representam os dois extremos com a mesma polaridade, sendo os opostos designados por A’ e a’. O mesmo raciocínio é seguido para as colunas B e C. As letras maiúsculas referem-se às tensões mais elevadas e as minusculas às tensões inferiores. Os transformadores trifásicos possuem três formas de ligação, sendo estas a ligação em estrela, triângulo e zigue-zague. A ligação em estrela tem a vantagem de ter o neutro acessível (acesso a tensão composta e tensão simples) e de os enrolamentos terem menor isolamento (porque apenas estão sujeitos à tensão simples). A ligação em triângulo é mais utilizada quando se prevêem correntes elevadas (corrente no enrolamento √3 vezes inferior à na linha) necessitando assim de condutores das espiras de menor secção. A ligação em ziguezague é utilizada quando são previstos grandes desequilíbrios de distribuição de carga pelas três fases (no secundário) , sendo isto conseguido pelo facto de cada enrolamento ser dividido em duas bobines colocadas em duas colunas diferentes, logo, “olhando” do enrolamento primário teremos um sistema mais equilibrado. Fig. 3 – Diferentes tipos de ligação do transformador trifásico e suas principais características Cada tipo de ligação é simbolizado por uma letra, sendo a correspondência a seguinte: I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Estrela – Y (y se no lado da tensão mais baixa); Triângulo – D (d se no lado da tensão mais baixa; Zigue-zague – Z (z se no lado da tensão mais baixa). As ligações de um transformador são ainda caracterizadas pelo índice horário. Este tipo de classificação é obtido quando os diagramas de tensões primárias e secundárias são sobrepostos, e medimos o desfasamento entre uma tensão primária e a sua correspondente secundária em horas como se tratassem de dois ponteiros de relógio (a deslocarem-se no sentido horário), estando o primeiro no zero e o segundo no valor (hora) que caracterizará o desfasamento. Os valores mais comuns são descritos no quadro da página seguinte: Fig.4 – Quadro de valores de desfasamento horário para os tipos de ligações mais comuns I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Valores Previstos o Para o ensaio em vazio: U1n > 450 V; U20 = 300 V; IA0, IB0 e IC0 – na ordem das centenas de mA. o Para o ensaio em curto-circuito: IAcc, IBcc e ICcc = In = 5ª; U1cc – na ordem de 10% de U1n. Esquema de montagem a V1 Autotransformador b c A B V1 400/230V 50 Hz ~ C A Fig.5 – Esquema de montagem para o ensaio em vazio A V1 400/230V 50 Hz ~ Autotransformador C B a b c A Fig.6 – Esquema de montagem para o ensaio em curto-circuito I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Material Utilizado 1- Multímetro digital Fluke 79 III (V1 e V2); 1- Pinça amperimétrica Prova 11 (A); 1- Medidor de potência Fluke 43B; 1- Transformador trifásico de 3 colunas com 4 enrolamentos (cada de 150 V 5 A e resistência a 20ºC de 0,55Ω) por coluna. O secundário é composto pela série dos 2 enrolamentos centrais de cada coluna e o primário pelos externos; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho foi dividido em dois ensaios, o ensaio em vazio e o ensaio em curto-circuito. Ensaio em vazio: - Montou-se o esquema da Fig. 5 - Alimentou-se o secundário, por transformador, com U20=300V - Registaram-se os seguintes valores: IA0=300 mA IB0=212 mA IC0=220 mA Ensaio em curto-circuito: - Montou-se circuito da Fig. 6 (notar que o secundário está curto-circuitado - Alimentou-se o primário, por meio do auto-transformador, até que este obsorve-se a sua corrente nominal (In=5 A) - Registaram-se os seguintes valores: IAcc=5 A IBcc=3,88 A ICcc=4,7 A U1cc=76,6 V PCu=316 W meio do auto- U1n=519 V U20=301 V PFe=75 W I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Cálculos 3 × U1n 3 × 519 = = 2,99 U 20 301 I +I +I 300 + 212 + 220 I 0 = A0 B 0 co = = 244 mA 3 3 PFe 75 cos ϕ 0 = = = 0,59 U1n × I 0 519 × 244 ×10−3 m= R0 = U1n 519 = = 3605 Ω I 0 × cos ϕ 0 244 ×10−3 × 0,59 U 1n 519 = = j 2626 Ω I 0 × senϕ 0 244 ×10−3 × 0,81 senϕ 0 = sen(arccos 0,59) = 0,81 Xm = I Acc + I Bcc + I Ccc 5 + 3,88 + 4,7 = = 4,53 A 3 3 2 I 52 I ≠ I n ⇒ PCun = PCu × n2 = 316 × = 385 W I 4,532 I 5 U1ccn = U1cc n = 76,6 × = 84,5 V I 4,53 PCu 316 = = 0,91 ⇒ ϕ cc = ar cos 0,91 = 24,5º cos ϕ cc = U1cc × I 76,6 × 4,53 I= Z1 = U1cc 76,6 = = 16,9 Ω I 4,53 R1 = Z1 × cos ϕcc = 16,9 × 0,91 = 15,4 Ω X 1 = Z1 × senϕcc = j 7,0 Ω R1 15,4 = = 1,72 = 1,72 ∠0º (Ω ) m 2 2,99 2 X1 7,0 X2 = 2 = = j 0,78 = 0,78∠90 º (Ω ) m 2,99 2 Z 2 = R2 + jX 2 = 1,72 + j 0,78 = 1,89 ∠ 24,4º (Ω ) R2 = U cc 2 n = Z 2 × I 2 n = 1,89 ∠ 24,4 º× 7,85∠ 24,5º = 14,83∠ 48,9º (V ) I 2 n = 3 × I = 3 × 4,53∠ 24,5º = 7,85∠ 24,5º ( A ) Queda de tensão óhmica nominal: U Ωn = R2 × I 2 n = 1,72∠0º×7,85∠24,5º = 13,5∠24,5º (V ) Queda de tensão reactiva nominal: U Rn = X 2 × I 2n = 0,78∠90º×7,85∠24,5º = 5,87∠115º (V ) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Resultados o Circuito equivalente para as três fases simplificado e referido ao primário: I I12 X1 j7,0 ohm I0 R1 15,4 ohm U1n 519 V R01 3605 ohm Xm1 j2606 ohm U12 o Ucc2n=14,83∠49º (V) o UΩn=13,5∠25º (V) o URn=5,87∠115º (V) o Triângulo de Kapp: U 2 = U 20 − U Ωn − U Rn U 20 = 1552∠ − 30º (V ) U 20 = U1n × m = 519 × 2,99 = 1552 V U 2 = 1552∠ − 30º −13,5∠25º −5,87∠115º = 1548∠ − 30,5º (V ) -30º -30,5º U20 U2 URn U 0 NOTA: A escala do diagrama de Kapp encontra-se ligeiramente alterada por forma a poderem ser evidenciados os seus principais detalhes. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaios Económicos de um Transformador Trífasico 31-03-2004 Conclusão Após terem sido efectuados todos os cálculos necessários e de se ter analisado os valores obtidos, bem como os registados, tornou-se possível inferir que a teoria inerente ao transformador trifásico se verificou válida, não obstante o facto do transformador ensaiado apresentar algumas deficiências de funcionamento. As deficiências de funcionamento verificadas deveram-se muito provavelmente ao curto-circuito de algumas das espiras dos enrolamentos primário e secundário, isto porque ocorreram discrepâncias, entre as várias correntes medidas nos enrolamentos, demasiadamente significativas para se tratarem apenas de diferenças aliadas à bobinagem dos enrolamentos. Foi também possível verificar que o transformador em causa apresentava um valor de elevado de perdas nos enrolamentos (PCun=385 W) e de perdas no circuito magnético (PFe=75 W). Ao analisar o diagrama de Kapp obtido observa-se que existe um reduzido desfasamento e diferença de amplitude entre U20 e U2, sendo por isto responsável UΩn e URn. Estas diferenças ocorrem pelo facto de o transformador não apresentar o seu comportamento ideal (tal como qualquer outro). Bibliografia o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9
Ensaios Económicos de um Motor de Indução Assíncrono Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo - Ensaio de Separação de Perdas:
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Ensaios Económicos de um Motor de Indução Assíncrono Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Ensaio de Separação de Perdas rftg.development.googlepages.com Data de criação: 7 de Abril de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaios Económicos de um Motor de Indução Assíncrono Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 4 Material Utilizado ---------------------------------- 5 Descrição do Trabalho -------------------------- 5 Valores Registados--------------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 9 Conclusão ------------------------------------------- 11 Bibliografia -------------------------------------------- 12 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Objectivo − Obtenção do circuito equivalente simplificado por fase; − Aplicação do método de separação de perdas; − Análise dos vários tipos de perdas de um motor de indução trifásico com rótor em gaiola de esquilo. Introdução O motor assíncrono de rótor em curto-circuito é basicamente constituído por um indutor fixo (estator) e um induzido móvel (rótor). O estator é formado por um conjunto de chapas de aço de elevada qualidade (no sentido de possuir excelentes propriedades ferromagnéticas) empilhadas com ranhuras na parte interior, contendo um enrolamento trifásico, que pode ser bipolar, tetrapolar, hexapolar, etc... Os extremos das três fases do estator (enrolamento indutor) são acessíveis numa placa de terminais, de forma a facilitar a ligação do enrolamento quer em Y quer em ∆. O r6tor é um cilindro de chapas empilhadas, chavetadas na árvore do motor, com ranhuras junto à superfície exterior contendo um enrolamento com o mesmo número de 1 pólos que o estator (motor de r6tor bobinado) ou um conjunto de barras condutoras curto-circuitadas por anéis condutores nos extremos (motor de r6tor em gaiola de esquilo). O estator e o rótor estão separados por um entreferro estreito, da ordem dos 0,5 mm. Estator Placa de ligações Rótor Núcleo Estatórico Bobinage m Estatórica Fig. 1- Aspecto real do Estator e Rótor; Promenor da posição da placa de ligações. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 O princípio de funcionamento destas máquinas é independentemente do tipo de ligação das três fases do estator (Y ou ∆), sempre que estas são alimentadas por correntes trifásicas de pulsação W = 2 × π × f produz-se um campo magnético girante à velocidade angular de Ws = W , designando-se por velocidade de p sincronismo, sendo p o número de pólos do enrolamento. Este campo magnético atravessa os condutores do rótor e induz neles f.e.m., que por sua vez produzem correntes induzidas. Os condutores do rótor, ao serem percorridos por estas correntes, ficam, assim, submetidos a forças que no conjunto originam um binário que tende a fazer girar o rótor no mesmo sentido do campo girante, isto é, o rótor tende a acompanhar o campo girante Fig.2- Principio de funcionamento do motor assíncrono trifásico (dado que esta foi a causa das f.e.m. nele geradas). No entanto, o rótor no seu movimento de rotação não pode acompanhar exactamente o campo magnético girante do estator, pois nesse caso, não atravessaria os condutores daquele, não se produzindo correntes induzidas nem binário. Logo o rótor girará sempre a uma velocidade Wr inferior a Ws, razão pela qual se designam estes motores de assíncronos. As f.e.m. induzidas no rótor dependem da diferença de velocidades de rotação deste em relação à do campo girante, designada por velocidade de escorregamento (s). Define-se escorregamento (s) de um motor assíncrono pela relação: (n − n ) s= s ns Em que n é a velocidade do rótor em r.p.m. e ns é a velocidade de sincronismo em r.p.m. O estator do motor é alimentado pela rede ou por outro dispositivo, mas o rótor não possui qualquer ligação condutora com o estator ou com a rede. Sem grandes raciocínios podemos facilmente inferir que estando o rótor parado (rótor travado), o motor constitui um transformador de campo girante, em que o estator é o primário e o rótor é o secundário. A frequência das correntes no rótor (fr) depende do escorregamento através da relação: fr = s × f I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 No funcionamento em vazio o binário motor é muito fraco, assim como a frequência e intensidade das correntes no rótor, o escorregamento é extremamente baixo e o campo girante é produzido quase exclusivamente pelas correntes do estator, que são magnetizantes, pelo que o factor de potência é muito baixo. Em carga, o escorregamento aumenta (devido ao binário resistente aplicado ao veio), assim como a frequência e a intensidade das correntes no rótor. O aumento das correntes no rótor irá consequentemente provocar um aumento das correntes no estator e o factor de potência aumenta. Esquema de montagem UVW M Z XY W V A R ST Auto-Transformador 400/230 V 50 Hz ~ Fig.3 – Esquema de montagem para os vários ensaios I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Material Utilizado 111111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Medidor de potência Fluke 43B (W); Taquímetro Prova RM-1000; Auto-transformador MV1103; Motor de indução assíncrono trifásico com rótor em gaiola de esquilo: 380/220V – 50 Hz - 1,5kW; 6,6 A ∆ - 3,8 A Y; cós ϕ = 0,79; 1415 r.p.m.; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho foi dividido em três ensaios, o ensaio em vazio, o ensaio com o rótor bloqueado e o ensaio de separação de perdas. Ensaio em vazio: - Montou-se o circuito de acordo com o esquema da Fig. 3; - Assegurou-se que não haveria possibilidade de qualquer um dos fios de ligação entrar em contacto com a parte rotativa do motor; - Alimentou-se o motor à sua tensão nominal (Un=380V); - Registaram-se os valores Un, P0 e I0 (I0 foi obtido pela média das 3 correntes de fase). Ensaio com o rótor bloqueado: - Manteve-se montado o circuito da Fig. 3; - Bloqueou-se o rótor com a ajuda de uma ferramenta apropriada para o efeito; - Ligou-se o circuito e por meio do auto-transformador foi se elevando suavemente a tensão aplicada ao motor até que este absorve-se a sua corrente nominal (3,8 A); - Registaram-se os valores Ucc, Pcc e In (In foi obtido pela média das 3 correntes de fase). I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Ensaio de separação de perdas: - Manteve-se montado o circuito da Fig. 3; - Reduziu-se a tensão de alimentação em 40 V e registou-se o valor de U, I0 (I0 foi obtido pela média das 3 correntes de fase), P0 e n; - Repetiu-se o passo anterior até o motor se verificar na iminência de parar; Valores registados Ensaio em vazio: Un (V) 380 P0 (W) 525 I0 (mA) (2100+2220+2245)/3= 2188 Ensaio com o rótor bloqueado: Ucc (V) 96,2 Pcc (W) 401 In (mA) (3700+3800+3787)/3= 3762 Ensaio de separação de perdas: U (V) 380 340 300 260 220 180 140 100 70 P0 (W) 525 375 247 236 185 158 130 122 133 P’0=P0-3R1I02=pFe+pmec (W) 455 330 215 214 169 147 121 112 113 I0 (mA) (2100+2220+2245)/3= n (r.p.m.) 1495,0 1494,1 1491,2 1491,4 1487,1 1479,5 1467,2 1428,2 1296,2 2188 (1656+1775+1810)/3= 1747 (1400+1490+1530)/3= 1473 (1170+1220+1290)/3= 1227 (980+986+1120)/3= 1027 (816+866+938)/3= 873 (734+765+833)/3= 777 (765+838+833)/3= 812 (1156+1224+1117)/3= 1166 6 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Medição das resistências dos enrolamentos do motor: R1 = R2 = R3 = 4,9 Ω. Cálculos o Cálculo de R0 e Xm: Gráfico que permite diferenciar o valor de pmec de pFe: 500 450 400 P' 0 = 0,0023U12 + 74,285 350 300 P’0 (W) 250 200 150 100 50 0 0 20000 40000 60000 80000 Analisando a equação da recta da regressão linear, do gráfico de P’0(U12), é possível verificar que quando esta intercepta o eixo de P’0 (U12=0) o valor de P’0 é de 74,285, logo 100000 120000 140000 160000 U1 (V) 2 Logo: pFen = P0 − 3R1I 0 − pmec 2 2 ( ) U =Un = 525 − 3 × 4.9 × 2.1882 − 74,3 ≈ 380,3 W R0 = Un 380 2 = = 379,7 Ω pFen 380,7 Un Xm = 3 I 0 × senϕ0 U =U n P0 525 = = 0,365 3 × U n × I0 3 × 380 × 2,188 380 cos ϕ0 = senϕ0 = sen(arccosϕ 0 ) = 0,931 Xm = 3 = j107,7 Ω 2,188 × 0,931 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Cálculo de R1, R2 e X1+X2: R1 + R2 = R2 = Pcc 401 = = 9,44 Ω 2 3 × 3,762 2 3× In 401 Pcc − R1 = − 4,9 = 9,44 − 4,9 = 4,54 Ω 2 3 × 3,762 2 3× In 1 − 0,3 1− s R2 = 10,59 Ω = 4,54 × s 0,3 U cc 96,2 3 − (R + R )2 = 3 − 9,44 2 = j11,35 Ω X1 + X 2 = 1 2 In 3,762 2 2 o Cálculo do escorregamento à tensão nominal: ns = 60 × f1 50 = 60 × = 1500 r. p.m. p 2 s= (n s − n U =U n ns ) = 1500 − 1495 ,0 = 0,0033 1500 Em percentagem: s%=0,3% o Cálculo das PJn: PJn = 3 × R1 × I n = 3 × 4.9 × 3,7622 ≈ 208 W 2 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Resultados o Circuito equivalente por fase, aproximado, do motor ensaiado: I1 I2 X1+X2 j11,35 ohm I0 Ia Im U1f R0 397,7 ohm R1+R2 9,44 ohm Xm j107,7 ohm R2(1-s)/s = 10,59 ohm I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 o Gráfico representativo da importância das várias perdas em questão: P (W) 3R1I02 pFe pme 0 50 100 150 200 250 300 350 400 U1 (V) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Conclusão Após a análise de todos os valores medidos e calculados, e de uma interpretação e análise atenta dos gráficos e esquema equivalente aproximado (para o motor ensaiado) foi possível inferir uma série de conclusões, as quais seguidamente se expõem. Os valores encontrados para as resistências e indutâncias, série e paralelo, do circuito equivalente, bem como o valor encontrado para o escorregamento em vazio encontram-se em plena concordância com os valores usuais para este tipo de máquina eléctrica, não havendo por isso qualquer comentário a efectuar, à excepção de que desde já é verosímil referir que a máquina ensaiada se encontrava em boas condições de funcionamento, e que a teoria referida (na Introdução) aos motores de indução assíncronos trifásicos foi demonstrada como válida. É também importante mencionar que o método da separação de perdas foi aplicado com sucesso visto que todos os parâmetros necessários para realização do circuito equivalente aproximado foram possíveis de determinar. Em relação às perdas em vazio do motor ensaiado (quando alimentado à tensão nominal) verificou-se através das medições efectuadas que estas assumiram um valor total de 525 W, dos quais aproximadamente 70,4 W se deveram a perdas óhmicas nos enrolamentos, 74,3 W a perdas mecânicas e 379,7 W a perdas no circuito ferromagnético. Foi ainda possível apurar que o motor ensaiado apresentou um valor de perdas nominais no circuito óhmico de aproximadamente 208 W, logo sabendo que as perdas ferromagnéticas e as perdas mecânicas são praticamente independentes do regime de carga podemos inferir que o motor ensaiado terá um valor de perdas totais nominais de cerca de 662 W. Uma outra particularidade relevante foi o cosϕ0 ter dado um valor extremamente baixo, facto esse que se deveu à corrente absorvida pelo motor ter sido essencialmente uma corrente de magnetização. Finalmente atendendo à tabela na qual estão apresentados os valores registados para o ensaio de separação de perdas é possível concluir que a corrente nos enrolamentos do motor, bem como a sua velocidade e potência absorvida baixa á medida que é diminuída a tensão aos seus terminais; no entanto quando este se encontra na iminência de cessar o movimento ,ou seja, quando a sua velocidade de rotação diminui significativamente face à nominal, a corrente absorvida aumenta consideravelmente. Este fenómeno deve-se ao facto de o motor indução de rótor em gaiola de esquilo se comportar como um I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 transformador, com o secundário curto-circuitado, sempre que o seu rótor se encontra parado. Bibliografia: o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o “Práticas Oficinais e Laboratoriais 11º ano”- PINTO, António – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o www.ieeekc.org/images/motors/motorslip/AC%20Induction%20Motor%20cutaway.jpg I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 12
Ensaios Económicos de um Motor de Indução Assíncrono Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Ensaio de Separação de Perdas rftg.development.googlepages.com Data de criação: 7 de Abril de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaios Económicos de um Motor de Indução Assíncrono Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 4 Material Utilizado ---------------------------------- 5 Descrição do Trabalho -------------------------- 5 Valores Registados--------------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 9 Conclusão ------------------------------------------- 11 Bibliografia -------------------------------------------- 12 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Objectivo − Obtenção do circuito equivalente simplificado por fase; − Aplicação do método de separação de perdas; − Análise dos vários tipos de perdas de um motor de indução trifásico com rótor em gaiola de esquilo. Introdução O motor assíncrono de rótor em curto-circuito é basicamente constituído por um indutor fixo (estator) e um induzido móvel (rótor). O estator é formado por um conjunto de chapas de aço de elevada qualidade (no sentido de possuir excelentes propriedades ferromagnéticas) empilhadas com ranhuras na parte interior, contendo um enrolamento trifásico, que pode ser bipolar, tetrapolar, hexapolar, etc... Os extremos das três fases do estator (enrolamento indutor) são acessíveis numa placa de terminais, de forma a facilitar a ligação do enrolamento quer em Y quer em ∆. O r6tor é um cilindro de chapas empilhadas, chavetadas na árvore do motor, com ranhuras junto à superfície exterior contendo um enrolamento com o mesmo número de 1 pólos que o estator (motor de r6tor bobinado) ou um conjunto de barras condutoras curto-circuitadas por anéis condutores nos extremos (motor de r6tor em gaiola de esquilo). O estator e o rótor estão separados por um entreferro estreito, da ordem dos 0,5 mm. Estator Placa de ligações Rótor Núcleo Estatórico Bobinage m Estatórica Fig. 1- Aspecto real do Estator e Rótor; Promenor da posição da placa de ligações. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 O princípio de funcionamento destas máquinas é independentemente do tipo de ligação das três fases do estator (Y ou ∆), sempre que estas são alimentadas por correntes trifásicas de pulsação W = 2 × π × f produz-se um campo magnético girante à velocidade angular de Ws = W , designando-se por velocidade de p sincronismo, sendo p o número de pólos do enrolamento. Este campo magnético atravessa os condutores do rótor e induz neles f.e.m., que por sua vez produzem correntes induzidas. Os condutores do rótor, ao serem percorridos por estas correntes, ficam, assim, submetidos a forças que no conjunto originam um binário que tende a fazer girar o rótor no mesmo sentido do campo girante, isto é, o rótor tende a acompanhar o campo girante Fig.2- Principio de funcionamento do motor assíncrono trifásico (dado que esta foi a causa das f.e.m. nele geradas). No entanto, o rótor no seu movimento de rotação não pode acompanhar exactamente o campo magnético girante do estator, pois nesse caso, não atravessaria os condutores daquele, não se produzindo correntes induzidas nem binário. Logo o rótor girará sempre a uma velocidade Wr inferior a Ws, razão pela qual se designam estes motores de assíncronos. As f.e.m. induzidas no rótor dependem da diferença de velocidades de rotação deste em relação à do campo girante, designada por velocidade de escorregamento (s). Define-se escorregamento (s) de um motor assíncrono pela relação: (n − n ) s= s ns Em que n é a velocidade do rótor em r.p.m. e ns é a velocidade de sincronismo em r.p.m. O estator do motor é alimentado pela rede ou por outro dispositivo, mas o rótor não possui qualquer ligação condutora com o estator ou com a rede. Sem grandes raciocínios podemos facilmente inferir que estando o rótor parado (rótor travado), o motor constitui um transformador de campo girante, em que o estator é o primário e o rótor é o secundário. A frequência das correntes no rótor (fr) depende do escorregamento através da relação: fr = s × f I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 No funcionamento em vazio o binário motor é muito fraco, assim como a frequência e intensidade das correntes no rótor, o escorregamento é extremamente baixo e o campo girante é produzido quase exclusivamente pelas correntes do estator, que são magnetizantes, pelo que o factor de potência é muito baixo. Em carga, o escorregamento aumenta (devido ao binário resistente aplicado ao veio), assim como a frequência e a intensidade das correntes no rótor. O aumento das correntes no rótor irá consequentemente provocar um aumento das correntes no estator e o factor de potência aumenta. Esquema de montagem UVW M Z XY W V A R ST Auto-Transformador 400/230 V 50 Hz ~ Fig.3 – Esquema de montagem para os vários ensaios I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Material Utilizado 111111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Medidor de potência Fluke 43B (W); Taquímetro Prova RM-1000; Auto-transformador MV1103; Motor de indução assíncrono trifásico com rótor em gaiola de esquilo: 380/220V – 50 Hz - 1,5kW; 6,6 A ∆ - 3,8 A Y; cós ϕ = 0,79; 1415 r.p.m.; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho foi dividido em três ensaios, o ensaio em vazio, o ensaio com o rótor bloqueado e o ensaio de separação de perdas. Ensaio em vazio: - Montou-se o circuito de acordo com o esquema da Fig. 3; - Assegurou-se que não haveria possibilidade de qualquer um dos fios de ligação entrar em contacto com a parte rotativa do motor; - Alimentou-se o motor à sua tensão nominal (Un=380V); - Registaram-se os valores Un, P0 e I0 (I0 foi obtido pela média das 3 correntes de fase). Ensaio com o rótor bloqueado: - Manteve-se montado o circuito da Fig. 3; - Bloqueou-se o rótor com a ajuda de uma ferramenta apropriada para o efeito; - Ligou-se o circuito e por meio do auto-transformador foi se elevando suavemente a tensão aplicada ao motor até que este absorve-se a sua corrente nominal (3,8 A); - Registaram-se os valores Ucc, Pcc e In (In foi obtido pela média das 3 correntes de fase). I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Ensaio de separação de perdas: - Manteve-se montado o circuito da Fig. 3; - Reduziu-se a tensão de alimentação em 40 V e registou-se o valor de U, I0 (I0 foi obtido pela média das 3 correntes de fase), P0 e n; - Repetiu-se o passo anterior até o motor se verificar na iminência de parar; Valores registados Ensaio em vazio: Un (V) 380 P0 (W) 525 I0 (mA) (2100+2220+2245)/3= 2188 Ensaio com o rótor bloqueado: Ucc (V) 96,2 Pcc (W) 401 In (mA) (3700+3800+3787)/3= 3762 Ensaio de separação de perdas: U (V) 380 340 300 260 220 180 140 100 70 P0 (W) 525 375 247 236 185 158 130 122 133 P’0=P0-3R1I02=pFe+pmec (W) 455 330 215 214 169 147 121 112 113 I0 (mA) (2100+2220+2245)/3= n (r.p.m.) 1495,0 1494,1 1491,2 1491,4 1487,1 1479,5 1467,2 1428,2 1296,2 2188 (1656+1775+1810)/3= 1747 (1400+1490+1530)/3= 1473 (1170+1220+1290)/3= 1227 (980+986+1120)/3= 1027 (816+866+938)/3= 873 (734+765+833)/3= 777 (765+838+833)/3= 812 (1156+1224+1117)/3= 1166 6 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Medição das resistências dos enrolamentos do motor: R1 = R2 = R3 = 4,9 Ω. Cálculos o Cálculo de R0 e Xm: Gráfico que permite diferenciar o valor de pmec de pFe: 500 450 400 P' 0 = 0,0023U12 + 74,285 350 300 P’0 (W) 250 200 150 100 50 0 0 20000 40000 60000 80000 Analisando a equação da recta da regressão linear, do gráfico de P’0(U12), é possível verificar que quando esta intercepta o eixo de P’0 (U12=0) o valor de P’0 é de 74,285, logo 100000 120000 140000 160000 U1 (V) 2 Logo: pFen = P0 − 3R1I 0 − pmec 2 2 ( ) U =Un = 525 − 3 × 4.9 × 2.1882 − 74,3 ≈ 380,3 W R0 = Un 380 2 = = 379,7 Ω pFen 380,7 Un Xm = 3 I 0 × senϕ0 U =U n P0 525 = = 0,365 3 × U n × I0 3 × 380 × 2,188 380 cos ϕ0 = senϕ0 = sen(arccosϕ 0 ) = 0,931 Xm = 3 = j107,7 Ω 2,188 × 0,931 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Cálculo de R1, R2 e X1+X2: R1 + R2 = R2 = Pcc 401 = = 9,44 Ω 2 3 × 3,762 2 3× In 401 Pcc − R1 = − 4,9 = 9,44 − 4,9 = 4,54 Ω 2 3 × 3,762 2 3× In 1 − 0,3 1− s R2 = 10,59 Ω = 4,54 × s 0,3 U cc 96,2 3 − (R + R )2 = 3 − 9,44 2 = j11,35 Ω X1 + X 2 = 1 2 In 3,762 2 2 o Cálculo do escorregamento à tensão nominal: ns = 60 × f1 50 = 60 × = 1500 r. p.m. p 2 s= (n s − n U =U n ns ) = 1500 − 1495 ,0 = 0,0033 1500 Em percentagem: s%=0,3% o Cálculo das PJn: PJn = 3 × R1 × I n = 3 × 4.9 × 3,7622 ≈ 208 W 2 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Resultados o Circuito equivalente por fase, aproximado, do motor ensaiado: I1 I2 X1+X2 j11,35 ohm I0 Ia Im U1f R0 397,7 ohm R1+R2 9,44 ohm Xm j107,7 ohm R2(1-s)/s = 10,59 ohm I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 o Gráfico representativo da importância das várias perdas em questão: P (W) 3R1I02 pFe pme 0 50 100 150 200 250 300 350 400 U1 (V) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 Conclusão Após a análise de todos os valores medidos e calculados, e de uma interpretação e análise atenta dos gráficos e esquema equivalente aproximado (para o motor ensaiado) foi possível inferir uma série de conclusões, as quais seguidamente se expõem. Os valores encontrados para as resistências e indutâncias, série e paralelo, do circuito equivalente, bem como o valor encontrado para o escorregamento em vazio encontram-se em plena concordância com os valores usuais para este tipo de máquina eléctrica, não havendo por isso qualquer comentário a efectuar, à excepção de que desde já é verosímil referir que a máquina ensaiada se encontrava em boas condições de funcionamento, e que a teoria referida (na Introdução) aos motores de indução assíncronos trifásicos foi demonstrada como válida. É também importante mencionar que o método da separação de perdas foi aplicado com sucesso visto que todos os parâmetros necessários para realização do circuito equivalente aproximado foram possíveis de determinar. Em relação às perdas em vazio do motor ensaiado (quando alimentado à tensão nominal) verificou-se através das medições efectuadas que estas assumiram um valor total de 525 W, dos quais aproximadamente 70,4 W se deveram a perdas óhmicas nos enrolamentos, 74,3 W a perdas mecânicas e 379,7 W a perdas no circuito ferromagnético. Foi ainda possível apurar que o motor ensaiado apresentou um valor de perdas nominais no circuito óhmico de aproximadamente 208 W, logo sabendo que as perdas ferromagnéticas e as perdas mecânicas são praticamente independentes do regime de carga podemos inferir que o motor ensaiado terá um valor de perdas totais nominais de cerca de 662 W. Uma outra particularidade relevante foi o cosϕ0 ter dado um valor extremamente baixo, facto esse que se deveu à corrente absorvida pelo motor ter sido essencialmente uma corrente de magnetização. Finalmente atendendo à tabela na qual estão apresentados os valores registados para o ensaio de separação de perdas é possível concluir que a corrente nos enrolamentos do motor, bem como a sua velocidade e potência absorvida baixa á medida que é diminuída a tensão aos seus terminais; no entanto quando este se encontra na iminência de cessar o movimento ,ou seja, quando a sua velocidade de rotação diminui significativamente face à nominal, a corrente absorvida aumenta consideravelmente. Este fenómeno deve-se ao facto de o motor indução de rótor em gaiola de esquilo se comportar como um I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11 Ensaio de Separação de Perdas 07-04-2004 transformador, com o secundário curto-circuitado, sempre que o seu rótor se encontra parado. Bibliografia: o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o “Práticas Oficinais e Laboratoriais 11º ano”- PINTO, António – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o www.ieeekc.org/images/motors/motorslip/AC%20Induction%20Motor%20cutaway.jpg I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 12
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Ensaios de um Motor de Indução Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Estudo do Binário de Arranque rftg.development.googlepages.com Data de criação: 28 de Abril de 2004 Última Actualização: 21 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 21/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Trabalho nº 5 Ensaios de um Motor de Indução Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 4 Material Utilizado ---------------------------------- 5 Descrição do Trabalho -------------------------- 5 Valores Registados--------------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 6 Resultados -------------------------------------------- 7 Conclusão ------------------------------------------- 8 Bibliografia -------------------------------------------- 8 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Objectivo − Estudar o binário de arranque de um motor; − Comparar o binário de arranque de um motor ligado em Y e em ∆; Introdução Dos vários tipos de motores de indução de corrente alternada trifásica existentes, o de rótor em curto-circuito é o único possível de funcionar directamente ligado à rede por meio de dispositivos simples (interruptores, disjuntores, etc...). No entanto, no instante em que este é alimentado, as correntes nos seus enrolamentos são bastantes mais elevadas do que as correntes nominais funcionamento dos mesmos (devido ao facto de este tipo de motores se comportar como um transformador com o secundário curto-circuitado sempre que a sua velocidade de rotação é nula). Estas correntes de arranque variam em norma entre 5 e 8 vezes a corrente nominal de funcionamento, obrigando a que as instalações sejam sobredimensionadas de forma a eliminarem problemas de disparo precoce de protecções, sobreaquecimento dos condutores de alimentação e ainda grandes quedas de tensão ao longo dos condutores (que podem inclusive comprometer o funcionamento dos aparelhos)(1). Os grandes binários de arranque originariam também problemas de ordem mecânica relacionados com os apoios, chassis e acoplamentos mecânicos do motor, visto que o motor tenderia a atingir muito rapidamente a sua velocidade de rotação nominal. Uma vez que este tipo de motor possui características do rótor fixas e previamente determinadas pelo fabricante, e apenas estão disponíveis seis terminais na placa de ligações (que nos permitem ter acesso unicamente às extremidades dos 3 enrolamentos indutores), os diversos tipos de arranque consistem essencialmente(2) na variação da tensão de alimentação a que são sujeitos os enrolamentos estatóricos. Isto porque essa variação nos vai permitir variar a corrente nos enrolamentos (pois a corrente é directamente proporcional à tensão) e o binário de arranque (dado que este é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação). (1) O R.S.I.U.E.E. no art. 431º delimita o tipo de arranque em função da potência motores, que no caso dos motores de rótor em curto-circuito são os 4 kW para o arranque directo e os 11 KW para o arranque estrela-triângulo. actualmente, por meio da electrónica de potência, também é possível faze-lo por meio da variação da frequência da corrente de alimentação. Máquinas Eléctricas (2) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. 2 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 O método mais simples de obter tensões diferentes nos enrolamentos estatóricos é através da sua ligação em triângulo ou em estrela (daí resultando o arranque estrela-triângulo). 220 V R1 380 V 380 V R1× R 2 R1 + R 2 + R3 R1∆ R3∆ R1× R3 R1 + R 2 + R3 Como I = U : R IY = 1 I∆ 3 R2 R3 R2 ∆ R 2 × R3 R1 + R 2 + R3 R1∆ = R2 ∆ = R3∆ = 1 1 R1 = R 3 3 Isto porque através da ligação em estrela estamos a aplicar a tensão composta aos terminais de ligação mas a submeter cada enrolamento à tensão simples, enquanto que na ligação em triângulo estamos a aplicar a tensão composta aos terminais de ligação, o que equivale a aplicarmos directamente essa tensão aos enrolamentos. Como se encontra também demonstrado, podemos observar que a resistência dos enrolamentos é maior na ligação em triângulo do que na ligação em estrela, o que limita também a corrente nos enrolamentos na situação de arranque. Assim, se procedermos ao arranque do motor na ligação em estrela e depois comutarmos a ligação para triângulo, significa que estamos na realidade a majorar o valor da corrente de arranque em cerca de 1,5 a 2,6 vezes a corrente nominal do motor. O binário de arranque é pois também limitado, situando-se o seu valor em cerca de 0,2 a 0,5 vezes o valor do binário nominal. O binário desenvolvido pelo motor mantém-se reduzido enquanto o motor estiver ligado em estrela, até que depois de se atingir alguma estabilidade de velocidade (na ordem de 75 a 85% da velocidade nominal) passámos à ligação em triângulo e o motor atinge as suas capacidades I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Fig.1 – Curva típica corrente/velocidade em arranque estrela-triângulo Fig.2 – Curva típica binário/velocidade em arranque estrela-triângulo Máquinas Eléctricas 3 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 nominais. Este tipo de comutação pode ser temporizada, por interruptores activados por molas centrífugas (acopladas ao rótor) ao por um dispositivo electrónico que monitorize a velocidade de rotação ou a corrente absorvida. Esquema de montagem U1 0−Υ −∆ V1 W 1 M U2 V W 2 2 W V A RST Auto-Transformador 400/230 V 50 Hz ~ Fig.3 – Esquema de montagem para os dois ensaios I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Material Utilizado 111111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Medidor de potência Fluke 43B (W); Auto-transformador MV1103; Comutador estrela-triângulo; Motor de indução assíncrono trifásico com rótor em gaiola de esquilo: 380/220V – 50 Hz - 1,5kW; ∆/Y – 6,6A/3,8A – 220V/380V; cos ϕ = 0,79; 1415 r.p.m.; 1- Chaveta; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Numa fase inicial este trabalho consistiu em efectuar dois ensaios de rótor travado a um motor de indução assíncrono trifásico de rótor em gaiola de esquilo, tendo o primeiro sido efectuado com o mesmo ligado em estrela (1ª parte) e o segundo com a ligação efectuada em triângulo (2ª parte): 1ª Parte: − Montou-se o circuito representado na fig. 3; − Ajustou-se o cursor do auto-transformador na posição de 0 V; − Colocou-se o comutador estrela-triângulo na posição “estrela”; − Bloqueou-se o rótor do motor com uma chaveta; − Alimentou-se o circuito e foi-se incrementando a tensão entre fases até se atingir aproximadamente o valor da corrente nominal do motor para a ligação em estrela (InY= 3,8 A); − Registaram-se os valores U, P, Ia, Ib e Ic; 2ª Parte: − Manteve-se montado o circuito representado na fig. 3; − Ajustou-se o cursor do auto-transformador na posição de 0 V; − Colocou-se o comutador estrela-triângulo na posição “triângulo”; − Bloqueou-se o rótor do motor com uma chaveta; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 − Alimentou-se o circuito e foi-se incrementando a tensão entre fases até se atingir aproximadamente o valor da corrente nominal do motor para a ligação em triângulo (In∆= 6,6 A ); − Registaram-se os valores U, P, Ia, Ib e Ic; Após a realização dos ensaios descritos foi ensaiado o arranque Y∆ e observado o comportamento motor nos momentos de arranque e comutação da ligação em Y para a ligação em ∆ (3ª parte), tendo o trabalho sido finalizado com a medição dos valores de resistências dos enrolamentos estatóricos (4ª parte). Valores registados 1ª Parte: Ucc (V) 91,0 Ia (A) 3,75 Ib (A) Ic (A) 3,71 3,62 P (kW) 0,450 2ª Parte: Ucc (V) 54,0 4ª Parte: Ia (A) 6,57 Ib (A) Ic (A) 6,50 6,33 P (kW) 0,460 R1 (Ω) 5,2 R2 (Ω) 5,2 R3 (Ω) 5,2 Cálculos 1ª Parte: Ia + Ib + Ic 3 , 75 + 3 , 71 + 3 , 62 = = 3 , 69 A 3 3 pJ 1 = 3 × R1 × I1 2 I1 = p J 1 = 3 × 5,2 × 3,69 2 = 212,4 W I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Neste caso: P2 ≅ P − p J 1 = 450 − 212,4 = 237,6 W P P2 = 2= Ωs 2 × π × n s Tarrq .Y ns = 60 × 60 = 1,51 N .m f1 50 = 60 × = 1500 r. p.m. p 2 Tarrq .Y = 237,6 2 × π × 1500 60 2 2 Tarrq .Y (n ) 380 380 = Tarrq .Y × = 26,33 N .m = 1,51× U 91,0 2ª Parte: pJ 1 = 3 × R∆ × I1 2 I1 = Ia + Ib + Ic 6 ,57 + 6 , 50 + 6 , 33 = = 6 , 47 A 3 3 p J 1 = 3 × 1,73 × 6,47 2 = 217,3 W R∆ = 5,2 × 5,2 R1 × R 2 = = 1, 73 Ω R1 + R 2 + R 3 5,2 + 5,2 + 5,2 Neste caso: P2 ≅ P − p J 1 = 460 − 217,3 = 242,7 W Tarrq .∆ = P2 P2 = Ωs 2 × π × n s = 60 2 242,7 2 × π × 1500 = 1,55 N .m 60 Tarrq .∆ (n ) 380 380 = Tarrq .∆ × = 76,76 N .m = 1,55 × U 54,0 2 Tarrq.Y (n ) Tarrq.∆ (n ) = 26,33 = 0,34 ⇔ Tarrq .Y (n ) = 34% Tarrq .∆ (n ) 76,76 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Resultados Tarrq .Y (n ) = 34% Tarrq .∆ ( n ) Conclusão Após uma primeira análise dos resultados obtidos é possível referir desde já que o trabalho foi realizado com pleno sucesso, visto que após o mesmo foi possível atender a todos os objectivos propostos. Tal como esperado no arranque em Y encontrámos valores de binário de arranque mais baixos do que no arranque em ∆, tendo o valor encontrado para o binário de arranque nominal em Y (Tarrq.Y(n)) sido cerca de 34% do valor obtido para o binário de arranque nominal em ∆ (Tarrq.∆(n)), corroborando assim a teoria apresentada. Pudemos ainda observar, no decurso da 3ª parte do trabalho, que quando ocorre a comutação de ligações (de Y para ∆) é perfeitamente evidente (sem recurso a qualquer tipo de aparelho de medida) a diferença de funcionamento do motor de quando se encontra ligado em Y em relação a quando se encontra ligado em ∆, bem como foi também claro (pelo pequeno deslocamento do motor na bancada) o pico de binário que ocorre no momento da comutação. Este desempenho observado verificou, como descrito, o comportamento típico demonstrado na fig. 2 da Introdução. Bibliografia: o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8
Ensaios de um Motor de Indução Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Estudo do Binário de Arranque rftg.development.googlepages.com Data de criação: 28 de Abril de 2004 Última Actualização: 21 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 21/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. 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A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Trabalho nº 5 Ensaios de um Motor de Indução Trifásico com Rótor em Gaiola de Esquilo Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 4 Material Utilizado ---------------------------------- 5 Descrição do Trabalho -------------------------- 5 Valores Registados--------------------------------- 6 Cálculos ----------------------------------------------- 6 Resultados -------------------------------------------- 7 Conclusão ------------------------------------------- 8 Bibliografia -------------------------------------------- 8 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Objectivo − Estudar o binário de arranque de um motor; − Comparar o binário de arranque de um motor ligado em Y e em ∆; Introdução Dos vários tipos de motores de indução de corrente alternada trifásica existentes, o de rótor em curto-circuito é o único possível de funcionar directamente ligado à rede por meio de dispositivos simples (interruptores, disjuntores, etc...). No entanto, no instante em que este é alimentado, as correntes nos seus enrolamentos são bastantes mais elevadas do que as correntes nominais funcionamento dos mesmos (devido ao facto de este tipo de motores se comportar como um transformador com o secundário curto-circuitado sempre que a sua velocidade de rotação é nula). Estas correntes de arranque variam em norma entre 5 e 8 vezes a corrente nominal de funcionamento, obrigando a que as instalações sejam sobredimensionadas de forma a eliminarem problemas de disparo precoce de protecções, sobreaquecimento dos condutores de alimentação e ainda grandes quedas de tensão ao longo dos condutores (que podem inclusive comprometer o funcionamento dos aparelhos)(1). Os grandes binários de arranque originariam também problemas de ordem mecânica relacionados com os apoios, chassis e acoplamentos mecânicos do motor, visto que o motor tenderia a atingir muito rapidamente a sua velocidade de rotação nominal. Uma vez que este tipo de motor possui características do rótor fixas e previamente determinadas pelo fabricante, e apenas estão disponíveis seis terminais na placa de ligações (que nos permitem ter acesso unicamente às extremidades dos 3 enrolamentos indutores), os diversos tipos de arranque consistem essencialmente(2) na variação da tensão de alimentação a que são sujeitos os enrolamentos estatóricos. Isto porque essa variação nos vai permitir variar a corrente nos enrolamentos (pois a corrente é directamente proporcional à tensão) e o binário de arranque (dado que este é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação). (1) O R.S.I.U.E.E. no art. 431º delimita o tipo de arranque em função da potência motores, que no caso dos motores de rótor em curto-circuito são os 4 kW para o arranque directo e os 11 KW para o arranque estrela-triângulo. actualmente, por meio da electrónica de potência, também é possível faze-lo por meio da variação da frequência da corrente de alimentação. Máquinas Eléctricas (2) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. 2 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 O método mais simples de obter tensões diferentes nos enrolamentos estatóricos é através da sua ligação em triângulo ou em estrela (daí resultando o arranque estrela-triângulo). 220 V R1 380 V 380 V R1× R 2 R1 + R 2 + R3 R1∆ R3∆ R1× R3 R1 + R 2 + R3 Como I = U : R IY = 1 I∆ 3 R2 R3 R2 ∆ R 2 × R3 R1 + R 2 + R3 R1∆ = R2 ∆ = R3∆ = 1 1 R1 = R 3 3 Isto porque através da ligação em estrela estamos a aplicar a tensão composta aos terminais de ligação mas a submeter cada enrolamento à tensão simples, enquanto que na ligação em triângulo estamos a aplicar a tensão composta aos terminais de ligação, o que equivale a aplicarmos directamente essa tensão aos enrolamentos. Como se encontra também demonstrado, podemos observar que a resistência dos enrolamentos é maior na ligação em triângulo do que na ligação em estrela, o que limita também a corrente nos enrolamentos na situação de arranque. Assim, se procedermos ao arranque do motor na ligação em estrela e depois comutarmos a ligação para triângulo, significa que estamos na realidade a majorar o valor da corrente de arranque em cerca de 1,5 a 2,6 vezes a corrente nominal do motor. O binário de arranque é pois também limitado, situando-se o seu valor em cerca de 0,2 a 0,5 vezes o valor do binário nominal. O binário desenvolvido pelo motor mantém-se reduzido enquanto o motor estiver ligado em estrela, até que depois de se atingir alguma estabilidade de velocidade (na ordem de 75 a 85% da velocidade nominal) passámos à ligação em triângulo e o motor atinge as suas capacidades I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Fig.1 – Curva típica corrente/velocidade em arranque estrela-triângulo Fig.2 – Curva típica binário/velocidade em arranque estrela-triângulo Máquinas Eléctricas 3 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 nominais. Este tipo de comutação pode ser temporizada, por interruptores activados por molas centrífugas (acopladas ao rótor) ao por um dispositivo electrónico que monitorize a velocidade de rotação ou a corrente absorvida. Esquema de montagem U1 0−Υ −∆ V1 W 1 M U2 V W 2 2 W V A RST Auto-Transformador 400/230 V 50 Hz ~ Fig.3 – Esquema de montagem para os dois ensaios I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Material Utilizado 111111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Medidor de potência Fluke 43B (W); Auto-transformador MV1103; Comutador estrela-triângulo; Motor de indução assíncrono trifásico com rótor em gaiola de esquilo: 380/220V – 50 Hz - 1,5kW; ∆/Y – 6,6A/3,8A – 220V/380V; cos ϕ = 0,79; 1415 r.p.m.; 1- Chaveta; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Numa fase inicial este trabalho consistiu em efectuar dois ensaios de rótor travado a um motor de indução assíncrono trifásico de rótor em gaiola de esquilo, tendo o primeiro sido efectuado com o mesmo ligado em estrela (1ª parte) e o segundo com a ligação efectuada em triângulo (2ª parte): 1ª Parte: − Montou-se o circuito representado na fig. 3; − Ajustou-se o cursor do auto-transformador na posição de 0 V; − Colocou-se o comutador estrela-triângulo na posição “estrela”; − Bloqueou-se o rótor do motor com uma chaveta; − Alimentou-se o circuito e foi-se incrementando a tensão entre fases até se atingir aproximadamente o valor da corrente nominal do motor para a ligação em estrela (InY= 3,8 A); − Registaram-se os valores U, P, Ia, Ib e Ic; 2ª Parte: − Manteve-se montado o circuito representado na fig. 3; − Ajustou-se o cursor do auto-transformador na posição de 0 V; − Colocou-se o comutador estrela-triângulo na posição “triângulo”; − Bloqueou-se o rótor do motor com uma chaveta; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 − Alimentou-se o circuito e foi-se incrementando a tensão entre fases até se atingir aproximadamente o valor da corrente nominal do motor para a ligação em triângulo (In∆= 6,6 A ); − Registaram-se os valores U, P, Ia, Ib e Ic; Após a realização dos ensaios descritos foi ensaiado o arranque Y∆ e observado o comportamento motor nos momentos de arranque e comutação da ligação em Y para a ligação em ∆ (3ª parte), tendo o trabalho sido finalizado com a medição dos valores de resistências dos enrolamentos estatóricos (4ª parte). Valores registados 1ª Parte: Ucc (V) 91,0 Ia (A) 3,75 Ib (A) Ic (A) 3,71 3,62 P (kW) 0,450 2ª Parte: Ucc (V) 54,0 4ª Parte: Ia (A) 6,57 Ib (A) Ic (A) 6,50 6,33 P (kW) 0,460 R1 (Ω) 5,2 R2 (Ω) 5,2 R3 (Ω) 5,2 Cálculos 1ª Parte: Ia + Ib + Ic 3 , 75 + 3 , 71 + 3 , 62 = = 3 , 69 A 3 3 pJ 1 = 3 × R1 × I1 2 I1 = p J 1 = 3 × 5,2 × 3,69 2 = 212,4 W I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Neste caso: P2 ≅ P − p J 1 = 450 − 212,4 = 237,6 W P P2 = 2= Ωs 2 × π × n s Tarrq .Y ns = 60 × 60 = 1,51 N .m f1 50 = 60 × = 1500 r. p.m. p 2 Tarrq .Y = 237,6 2 × π × 1500 60 2 2 Tarrq .Y (n ) 380 380 = Tarrq .Y × = 26,33 N .m = 1,51× U 91,0 2ª Parte: pJ 1 = 3 × R∆ × I1 2 I1 = Ia + Ib + Ic 6 ,57 + 6 , 50 + 6 , 33 = = 6 , 47 A 3 3 p J 1 = 3 × 1,73 × 6,47 2 = 217,3 W R∆ = 5,2 × 5,2 R1 × R 2 = = 1, 73 Ω R1 + R 2 + R 3 5,2 + 5,2 + 5,2 Neste caso: P2 ≅ P − p J 1 = 460 − 217,3 = 242,7 W Tarrq .∆ = P2 P2 = Ωs 2 × π × n s = 60 2 242,7 2 × π × 1500 = 1,55 N .m 60 Tarrq .∆ (n ) 380 380 = Tarrq .∆ × = 76,76 N .m = 1,55 × U 54,0 2 Tarrq.Y (n ) Tarrq.∆ (n ) = 26,33 = 0,34 ⇔ Tarrq .Y (n ) = 34% Tarrq .∆ (n ) 76,76 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Estudo do Binário de Arranque 28-04-2004 Resultados Tarrq .Y (n ) = 34% Tarrq .∆ ( n ) Conclusão Após uma primeira análise dos resultados obtidos é possível referir desde já que o trabalho foi realizado com pleno sucesso, visto que após o mesmo foi possível atender a todos os objectivos propostos. Tal como esperado no arranque em Y encontrámos valores de binário de arranque mais baixos do que no arranque em ∆, tendo o valor encontrado para o binário de arranque nominal em Y (Tarrq.Y(n)) sido cerca de 34% do valor obtido para o binário de arranque nominal em ∆ (Tarrq.∆(n)), corroborando assim a teoria apresentada. Pudemos ainda observar, no decurso da 3ª parte do trabalho, que quando ocorre a comutação de ligações (de Y para ∆) é perfeitamente evidente (sem recurso a qualquer tipo de aparelho de medida) a diferença de funcionamento do motor de quando se encontra ligado em Y em relação a quando se encontra ligado em ∆, bem como foi também claro (pelo pequeno deslocamento do motor na bancada) o pico de binário que ocorre no momento da comutação. Este desempenho observado verificou, como descrito, o comportamento típico demonstrado na fig. 2 da Introdução. Bibliografia: o “Tecnologias 11º ano”- PINTO, António; ALVES, Vitor – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8
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Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) rftg.development.googlepages.com Data de criação: 12 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. 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Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 7 Material Utilizado ---------------------------------- 8 Descrição do Trabalho -------------------------- 8 Valores Registados--------------------------------- 9 Resultados -------------------------------------------- 10 Conclusão ------------------------------------------- 10 Bibliografia -------------------------------------------- 11 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Objectivo − Estudo do dínamo de corrente contínua com excitação separada; − Estudo da sua característica interna (ou de vazio); − Obtenção do gráfico de E0=f(i). Introdução A máquina de corrente contínua (c. c.) foi a primeira do tipo a ser construída, dado que na altura do seu surgimento predominava a produção, uso e facilidade de controlo e armazenamento da energia eléctrica sob a forma de c. c., sendo também este tipo de máquinas as únicas (na altura) possíveis de controlar os seus parâmetros variáveis de velocidade e binário através de factores extrínsecos. Hoje em dia, com o domínio alcançado na área da electrónica de potência, com o sistema de produção e distribuição de energia eléctrica em corrente alternada (c. a.) e com as vantagens construtivas a estas inerentes, as máquinas de c. a. predominam em quase todos os campos onde eram aplicadas as máquinas de c. c., no entanto estas ainda são indispensáveis nas aplicações em pequena escala, em aplicações portáteis (devido às possibilidades de armazenamento da energia eléctrica sob a forma de corrente contínua), em processos electrolíticos, aplicações de tracção eléctrica, etc. A máquina de c. c. apresenta (em norma) um funcionamento reversível, ou seja, pode funcionar como motor (quando transforma a energia eléctrica fornecida em energia mecânica) ou como gerador (quando transforma a energia mecânica fornecida em energia eléctrica) sendo designada respectivamente por motor ou dínamo. Tal como todas as máquinas eléctricas rotativas a máquina de c. c. é constituída por duas partes separáveis, cilíndricas e assentes sobre o mesmo eixo, sendo uma o estator (fixa) e a outra o rótor (rotativa). Em termos funcionais podemos considerar dois enrolamentos, o indutor e o induzido, que estão respectivamente no estator e no rótor, sendo o seu acoplamento garantido por um circuito magnético formado pelo material ferromagnético do estator e do rótor, e pelo o espaço de ar existente entre ambos (entreferro). Fig.1 – Constituição da máquina de c. c. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Para que seja possível ligar electricamente os enrolamentos do rótor as suas espiras são ligadas às lâminas do colector, sobre as quais assentam um conjunto de escovas fixas de grafite, devido à ductilidade deste material Fig.2 – Constituição do rótor da máquina de c. c. ser inferior à do material constituinte das lâminas colectoras (o que conduz a uma preservação do colector, que apresenta enormes dificuldades técnicas em termos de reparação ao passo que as escovas podem ser facilmente substituídas), permitindo assim a entrada de corrente no funcionamento como motor ou a sua saída no dínamo. O circuito indutor também designado por circuito de excitação ou de campo é constituído por bobines que envolvem as peças polares da máquina, enquanto que o circuito induzido é constituído por um enrolamento que envolve um núcleo ferromagnético laminado. Fig.3 – Ligação das bobines indutoras numa máquina c. c. bipolar (esquerda); Ligação das bobines indutoras numa máquina c. c. tetrapolar (direita) A máquina c. c. em aplicação como dínamo baseia o seu funcionamento nos princípios da lei de indução de Faraday ( E = − ∆Φ / ∆t ), ou seja, para que se origine uma força electromotriz (f.e.m.) terão que ocorrer variações de fluxo electromagnético (no tempo) sobre um condutor, pelo que este ao mover-se no interior do campo magnético induz uma f.e.m., quantificável por E = B × l × w . O sentido da corrente resultante da f.e.m. será dada pela aplicação da regra da mão direita, em que o dedo indicador aponta o seu sentido. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 I I Fig.4 – Ilustração da aplicação da regra da mão direita Considerando um dínamo elementar, constituído por um par de pólos e uma espira, verifica-se que a sua espira ao rodar em torno do eixo no interior do campo electromagnético induz uma f.e.m. no condutor A-B, de segmentos A-A’ e B’-B, nos quais as correntes são de sentidos contrários, logo são também induzidas f.e.m. de sentidos contrários, resultando em EA-B = EA-A’ + EB’-B. Observando-se a ilustração das várias posições da espira ao longo da sua rotação (Fig. 5), podemos traduzir a f.e.m. aos terminais do dínamo: 1 2 3 4 Fig.5 – Ilustração das vária rotações da espira ao longo da sua rotação Na situação 1 (rotação de 0 rad.) e 3 (rotação de π rad.), a espira encontra-se na horizontal, o fluxo que corta os condutores (A-A’ e B-B’) é nulo, visto que estes estão à mesma distância dos pólos norte e sul (N e S), e portanto os seus efeitos são nulos já que são iguais e de sentidos contrários. Esta zona onde se encontra a espira denomina-se de zona neutra. Na situação 2 (rotação de π/2 rad.) e 4 (rotação de 3π/2 rad.), considerando o sentido de rotação indicado, a espira encontra-se na vertical e os seus lados cortam o máximo número de linhas de força, ocorrendo a máxima f.e.m. e a corrente no sentido das setas. Na I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 situação 2 o semianel 1 será o negativo e o semianel 2 será o positivo, enquanto que na situação 4 se verifica o contrário, logo é mantida a polaridade das escovas bem como no voltímetro. Logo verificaremos o seguinte gráfico de f.e.m. em função do tempo: E 2 4 2 4 2 1 3 1 3 1 t Visto que o sinal obtido não apresenta qualquer aplicação prática (pois embora seja unidireccional não é constante no tempo), o dínamo terá de possuir mais bobines, e consequentemente um colector com maior número de lâminas, de tal forma a que as escovas recolham apenas uma parte do sinal. Neste caso a f.e.m. será dada por: E = k × n ×φ com k = Z×p (1) a E o seu gráfico será do tipo: E Nota: O número de bobines e de semianéis irá determinar a aproximação do sinal a um sinal contínuo 1 2 t Um outro parâmetro intrínseco da máquina será o seu tipo de bobinagem, a qual poderá ser imbricada ou ondulada. Os dois tipos de bobinagens irão determinar o número de vias, a (1): Fig.6 – Pormenor da bobinagem ondulada (esquerda) e embricada (direita) sobre o rótor I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Por norma o enrolamento imbricado é utilizado por máquinas que trabalham com grandes correntes e tensões não muito elevadas, aplicando-se o enrolamento ondulado no caso contrário. Para criarmos o campo magnético necessário para a indução de f.e.m. é necessário excitarmos o circuito indutor, ou seja, este tem de ser percorrido por uma corrente de excitação. Existem dois modos distintos de excitação, a excitação separada (ou independente) e a autoexcitação. A excitação independente possui a vantagem de poder controlar o sentido da J A corrente no indutor (logo a polaridade aos terminais do gerador) e ainda a linearidade da tensão e da corrente no circuito indutor face G U às variações no dínamo. Possui, evidentemente, a desvantagem de necessitar de uma fonte externa independente. Este tipo K de excitação é então preferencialmente B aplicado nos casos em que estão previstas Fig.7 – Dínamo de excitação grandes variações de carga aos terminais do independente dínamo, bem como nos casos em que haja necessidade frequente de se inverter a polaridade dos terminais do mesmo. A auto-excitação pode efectuar por meio de três tipos básicos de ligações das bobines indutores com o induzido, sendo estas a ligação série, paralelo e composta. Na ligação composta o indutor é dividido em duas partes, estando uma parte ligada em série com o induzido e a outra em paralelo (por aplicação de uma curta ou de uma longa derivação). Através do balanço preferencial entre a parte em série e parte em paralelo do indutor (relativamente ao induzido) o dínamo pode ainda ser do tipo hipocomposto (predominância do enrolamento série), hipocomposto (predominância do enrolamento paralelo) ou isocomposto (equilíbrio entre ambos os enrolamentos, obtendo para este último tipo de ligação uma tensão praticamente invariável face aos diversos regimes de carga. C G D (a) A E G A F B (b) C E G A C E A U U D G U U B D (c) F B (d) F B Fig.8 – (a) Dínamo paralelo (shunt); (b) Dínamo série; (c) Dínamo composto – curta derivação; (d) Dínamo composto – longa derivação I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 O fenómeno de auto-excitação só é possível após a máquina ter funcionado pelo menos uma vez, isto porque é imperativo que exista magnetismo remanescente acumulado no material ferromagnético. É ainda necessário respeitar o sentido da corrente no funcionamento anterior. Sendo fundamental nos dínamos manter-mos constante o valor da tensão aos seus terminais (independentemente do seu regime de carga) será possível, para o efeito, ajustar a velocidade de accionamento ou a excitação do indutor. Estes ajustes são dispensáveis no caso da ligação utilizada ser do tipo isocomposta. Esquema de montagem +125 V -125 V 40 A 40 A M L R q s t B A C D Fig.9 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 +125 V -125 V A 2A 2A M n T G V Rx q A s t B C D Fig.10 – Esquema de montagem do dínamo com excitação separada Material Utilizado 1111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Taquímetro Prova RM-1000 (T); Reóstato de arranque A16: 9; 27,8 A – 250 V; 6 kW; 1- Reóstato de excitação do motor; 1- Reóstato de excitação do gerador (Rx): 1,135 k ; 1- Motor de corrente contínua (M): 250 V – 25,5 A; 5,5 kW; 1- Gerador de corrente contínua (G): 250 V – 16 A; 4 kW; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho consistiu na realização de um só ensaio, tendo para tal sido conduzido da seguinte forma: - Montou-se o circuito da Fig. 9, de forma a podermos comandar o motor de c. c. que proporcionou a energia mecânica necessário para o gerador; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 - Montou-se o circuito da Fig. 10; - Verificaram-se todas as ligações efectuadas; - Procedeu-se ao arranque do motor até se atingir a velocidade de rotação de 1500 r.p.m.; - Actuou-se sobre o reóstato de excitação, sempre no sentido ascendente, por forma aumentar a corrente de excitação (Ie) de aproximadamente 0,1 A em 0,1 A até se atingir os 300 V nos terminais A-B; - Actuou-se sobre o reóstato de excitação, sempre no sentido descendente, por forma a diminuir a corrente de excitação (Ie) de aproximadamente 0,1 A em 0,1 A até se atingir Ii=0 A, tendo passado por valores de Ie próximos dos obtidos na curva ascendente; - A cada passo da determinação da curva ascendente e descendente foram efectuadas correcções sobre a excitação do motor de forma a ser garantida uma velocidade de rotação constante de 1500 r.p.m. Valores registados Ie (A) 0,000 0,105 0,199 0,301 0,400 0,500 0,517 0,504 0,402 0,299 0,200 0,101 0,000 E0 (V) n (r.p.m.) 14,26 1500 69,40 1500 127,80 1500 189,80 1500 245,50 1500 293,20 1500 300,00 1500 297,30 1500 256,70 1500 202,50 1500 143,20 1500 80,50 1500 14,47 1500 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Resultados Gráfico de E 0 = f (I e ) : E0 300 250 200 150 Curva ascendente Curva descendente 100 50 0 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 Ie Conclusão Terminada a realização da análise dos dados experimentais e dos resultados obtidos (gráfico de E 0 = f (I e ) ), é possível concluir a máquina ensaiada apresentou uma série de características esperadas sobre o seu funcionamento. Tal como podemos observar no gráfico de E 0 = f (I e ) a tensão gerada aos terminais do dínamo aumenta com o aumento da corrente de excitação (Ie) e diminui com a diminuição da mesma. Observando o mesmo gráfico com alguma atenção constatamos que a curva ascendente não tem origem no valor de E0=0 V (para Ie=0 A) mas sim no valor E0≈14 V, devendo-se tal facto à indução remanescente existente no material ferromagnético (resultado das suas I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 últimas utilizações da máquina e de termos respeitado a polaridade sugerida) e portanto uma pequena f.e.m.. Atendendo ainda ao gráfico da característica interna é válido inferir que este toma uma forma semelhante ao de um ciclo histerético, isto porque existe uma diferença entre a curva ascendente e a curva descendente, apresentando-se os maiores valores de tensão sobre a curva descendente. Como esperado, quando nos aproximamos da excitação nula os valores de tensão de ambas as curvas tornam-se cada vez mais próximos. A saturação magnética não foi possível de observar (com pleno destaque) no gráfico da característica interna, no entanto se observarmos a tabela que o compôs podemos comprovar que, com a subida dos valores de corrente diminui em termos relativos o aumento da tensão na saída do gerador, factor este que invalida a linearidade do aumento da tensão com o aumento de Ie, corroborando o princípio da saturação magnética. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o “Práticas Oficinais e Laboratoriais 11º ano”- PINTO, António – Porto Editora; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11
Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) rftg.development.googlepages.com Data de criação: 12 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 7 Material Utilizado ---------------------------------- 8 Descrição do Trabalho -------------------------- 8 Valores Registados--------------------------------- 9 Resultados -------------------------------------------- 10 Conclusão ------------------------------------------- 10 Bibliografia -------------------------------------------- 11 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Objectivo − Estudo do dínamo de corrente contínua com excitação separada; − Estudo da sua característica interna (ou de vazio); − Obtenção do gráfico de E0=f(i). Introdução A máquina de corrente contínua (c. c.) foi a primeira do tipo a ser construída, dado que na altura do seu surgimento predominava a produção, uso e facilidade de controlo e armazenamento da energia eléctrica sob a forma de c. c., sendo também este tipo de máquinas as únicas (na altura) possíveis de controlar os seus parâmetros variáveis de velocidade e binário através de factores extrínsecos. Hoje em dia, com o domínio alcançado na área da electrónica de potência, com o sistema de produção e distribuição de energia eléctrica em corrente alternada (c. a.) e com as vantagens construtivas a estas inerentes, as máquinas de c. a. predominam em quase todos os campos onde eram aplicadas as máquinas de c. c., no entanto estas ainda são indispensáveis nas aplicações em pequena escala, em aplicações portáteis (devido às possibilidades de armazenamento da energia eléctrica sob a forma de corrente contínua), em processos electrolíticos, aplicações de tracção eléctrica, etc. A máquina de c. c. apresenta (em norma) um funcionamento reversível, ou seja, pode funcionar como motor (quando transforma a energia eléctrica fornecida em energia mecânica) ou como gerador (quando transforma a energia mecânica fornecida em energia eléctrica) sendo designada respectivamente por motor ou dínamo. Tal como todas as máquinas eléctricas rotativas a máquina de c. c. é constituída por duas partes separáveis, cilíndricas e assentes sobre o mesmo eixo, sendo uma o estator (fixa) e a outra o rótor (rotativa). Em termos funcionais podemos considerar dois enrolamentos, o indutor e o induzido, que estão respectivamente no estator e no rótor, sendo o seu acoplamento garantido por um circuito magnético formado pelo material ferromagnético do estator e do rótor, e pelo o espaço de ar existente entre ambos (entreferro). Fig.1 – Constituição da máquina de c. c. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Para que seja possível ligar electricamente os enrolamentos do rótor as suas espiras são ligadas às lâminas do colector, sobre as quais assentam um conjunto de escovas fixas de grafite, devido à ductilidade deste material Fig.2 – Constituição do rótor da máquina de c. c. ser inferior à do material constituinte das lâminas colectoras (o que conduz a uma preservação do colector, que apresenta enormes dificuldades técnicas em termos de reparação ao passo que as escovas podem ser facilmente substituídas), permitindo assim a entrada de corrente no funcionamento como motor ou a sua saída no dínamo. O circuito indutor também designado por circuito de excitação ou de campo é constituído por bobines que envolvem as peças polares da máquina, enquanto que o circuito induzido é constituído por um enrolamento que envolve um núcleo ferromagnético laminado. Fig.3 – Ligação das bobines indutoras numa máquina c. c. bipolar (esquerda); Ligação das bobines indutoras numa máquina c. c. tetrapolar (direita) A máquina c. c. em aplicação como dínamo baseia o seu funcionamento nos princípios da lei de indução de Faraday ( E = − ∆Φ / ∆t ), ou seja, para que se origine uma força electromotriz (f.e.m.) terão que ocorrer variações de fluxo electromagnético (no tempo) sobre um condutor, pelo que este ao mover-se no interior do campo magnético induz uma f.e.m., quantificável por E = B × l × w . O sentido da corrente resultante da f.e.m. será dada pela aplicação da regra da mão direita, em que o dedo indicador aponta o seu sentido. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 I I Fig.4 – Ilustração da aplicação da regra da mão direita Considerando um dínamo elementar, constituído por um par de pólos e uma espira, verifica-se que a sua espira ao rodar em torno do eixo no interior do campo electromagnético induz uma f.e.m. no condutor A-B, de segmentos A-A’ e B’-B, nos quais as correntes são de sentidos contrários, logo são também induzidas f.e.m. de sentidos contrários, resultando em EA-B = EA-A’ + EB’-B. Observando-se a ilustração das várias posições da espira ao longo da sua rotação (Fig. 5), podemos traduzir a f.e.m. aos terminais do dínamo: 1 2 3 4 Fig.5 – Ilustração das vária rotações da espira ao longo da sua rotação Na situação 1 (rotação de 0 rad.) e 3 (rotação de π rad.), a espira encontra-se na horizontal, o fluxo que corta os condutores (A-A’ e B-B’) é nulo, visto que estes estão à mesma distância dos pólos norte e sul (N e S), e portanto os seus efeitos são nulos já que são iguais e de sentidos contrários. Esta zona onde se encontra a espira denomina-se de zona neutra. Na situação 2 (rotação de π/2 rad.) e 4 (rotação de 3π/2 rad.), considerando o sentido de rotação indicado, a espira encontra-se na vertical e os seus lados cortam o máximo número de linhas de força, ocorrendo a máxima f.e.m. e a corrente no sentido das setas. Na I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 situação 2 o semianel 1 será o negativo e o semianel 2 será o positivo, enquanto que na situação 4 se verifica o contrário, logo é mantida a polaridade das escovas bem como no voltímetro. Logo verificaremos o seguinte gráfico de f.e.m. em função do tempo: E 2 4 2 4 2 1 3 1 3 1 t Visto que o sinal obtido não apresenta qualquer aplicação prática (pois embora seja unidireccional não é constante no tempo), o dínamo terá de possuir mais bobines, e consequentemente um colector com maior número de lâminas, de tal forma a que as escovas recolham apenas uma parte do sinal. Neste caso a f.e.m. será dada por: E = k × n ×φ com k = Z×p (1) a E o seu gráfico será do tipo: E Nota: O número de bobines e de semianéis irá determinar a aproximação do sinal a um sinal contínuo 1 2 t Um outro parâmetro intrínseco da máquina será o seu tipo de bobinagem, a qual poderá ser imbricada ou ondulada. Os dois tipos de bobinagens irão determinar o número de vias, a (1): Fig.6 – Pormenor da bobinagem ondulada (esquerda) e embricada (direita) sobre o rótor I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Por norma o enrolamento imbricado é utilizado por máquinas que trabalham com grandes correntes e tensões não muito elevadas, aplicando-se o enrolamento ondulado no caso contrário. Para criarmos o campo magnético necessário para a indução de f.e.m. é necessário excitarmos o circuito indutor, ou seja, este tem de ser percorrido por uma corrente de excitação. Existem dois modos distintos de excitação, a excitação separada (ou independente) e a autoexcitação. A excitação independente possui a vantagem de poder controlar o sentido da J A corrente no indutor (logo a polaridade aos terminais do gerador) e ainda a linearidade da tensão e da corrente no circuito indutor face G U às variações no dínamo. Possui, evidentemente, a desvantagem de necessitar de uma fonte externa independente. Este tipo K de excitação é então preferencialmente B aplicado nos casos em que estão previstas Fig.7 – Dínamo de excitação grandes variações de carga aos terminais do independente dínamo, bem como nos casos em que haja necessidade frequente de se inverter a polaridade dos terminais do mesmo. A auto-excitação pode efectuar por meio de três tipos básicos de ligações das bobines indutores com o induzido, sendo estas a ligação série, paralelo e composta. Na ligação composta o indutor é dividido em duas partes, estando uma parte ligada em série com o induzido e a outra em paralelo (por aplicação de uma curta ou de uma longa derivação). Através do balanço preferencial entre a parte em série e parte em paralelo do indutor (relativamente ao induzido) o dínamo pode ainda ser do tipo hipocomposto (predominância do enrolamento série), hipocomposto (predominância do enrolamento paralelo) ou isocomposto (equilíbrio entre ambos os enrolamentos, obtendo para este último tipo de ligação uma tensão praticamente invariável face aos diversos regimes de carga. C G D (a) A E G A F B (b) C E G A C E A U U D G U U B D (c) F B (d) F B Fig.8 – (a) Dínamo paralelo (shunt); (b) Dínamo série; (c) Dínamo composto – curta derivação; (d) Dínamo composto – longa derivação I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 O fenómeno de auto-excitação só é possível após a máquina ter funcionado pelo menos uma vez, isto porque é imperativo que exista magnetismo remanescente acumulado no material ferromagnético. É ainda necessário respeitar o sentido da corrente no funcionamento anterior. Sendo fundamental nos dínamos manter-mos constante o valor da tensão aos seus terminais (independentemente do seu regime de carga) será possível, para o efeito, ajustar a velocidade de accionamento ou a excitação do indutor. Estes ajustes são dispensáveis no caso da ligação utilizada ser do tipo isocomposta. Esquema de montagem +125 V -125 V 40 A 40 A M L R q s t B A C D Fig.9 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 +125 V -125 V A 2A 2A M n T G V Rx q A s t B C D Fig.10 – Esquema de montagem do dínamo com excitação separada Material Utilizado 1111Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Taquímetro Prova RM-1000 (T); Reóstato de arranque A16: 9; 27,8 A – 250 V; 6 kW; 1- Reóstato de excitação do motor; 1- Reóstato de excitação do gerador (Rx): 1,135 k ; 1- Motor de corrente contínua (M): 250 V – 25,5 A; 5,5 kW; 1- Gerador de corrente contínua (G): 250 V – 16 A; 4 kW; Fios de ligação; Pontas de prova. Descrição do trabalho Este trabalho consistiu na realização de um só ensaio, tendo para tal sido conduzido da seguinte forma: - Montou-se o circuito da Fig. 9, de forma a podermos comandar o motor de c. c. que proporcionou a energia mecânica necessário para o gerador; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 - Montou-se o circuito da Fig. 10; - Verificaram-se todas as ligações efectuadas; - Procedeu-se ao arranque do motor até se atingir a velocidade de rotação de 1500 r.p.m.; - Actuou-se sobre o reóstato de excitação, sempre no sentido ascendente, por forma aumentar a corrente de excitação (Ie) de aproximadamente 0,1 A em 0,1 A até se atingir os 300 V nos terminais A-B; - Actuou-se sobre o reóstato de excitação, sempre no sentido descendente, por forma a diminuir a corrente de excitação (Ie) de aproximadamente 0,1 A em 0,1 A até se atingir Ii=0 A, tendo passado por valores de Ie próximos dos obtidos na curva ascendente; - A cada passo da determinação da curva ascendente e descendente foram efectuadas correcções sobre a excitação do motor de forma a ser garantida uma velocidade de rotação constante de 1500 r.p.m. Valores registados Ie (A) 0,000 0,105 0,199 0,301 0,400 0,500 0,517 0,504 0,402 0,299 0,200 0,101 0,000 E0 (V) n (r.p.m.) 14,26 1500 69,40 1500 127,80 1500 189,80 1500 245,50 1500 293,20 1500 300,00 1500 297,30 1500 256,70 1500 202,50 1500 143,20 1500 80,50 1500 14,47 1500 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 Resultados Gráfico de E 0 = f (I e ) : E0 300 250 200 150 Curva ascendente Curva descendente 100 50 0 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 Ie Conclusão Terminada a realização da análise dos dados experimentais e dos resultados obtidos (gráfico de E 0 = f (I e ) ), é possível concluir a máquina ensaiada apresentou uma série de características esperadas sobre o seu funcionamento. Tal como podemos observar no gráfico de E 0 = f (I e ) a tensão gerada aos terminais do dínamo aumenta com o aumento da corrente de excitação (Ie) e diminui com a diminuição da mesma. Observando o mesmo gráfico com alguma atenção constatamos que a curva ascendente não tem origem no valor de E0=0 V (para Ie=0 A) mas sim no valor E0≈14 V, devendo-se tal facto à indução remanescente existente no material ferromagnético (resultado das suas I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada para Obtenção da sua Característica Interna (ou de Vazio) 12-05-2004 últimas utilizações da máquina e de termos respeitado a polaridade sugerida) e portanto uma pequena f.e.m.. Atendendo ainda ao gráfico da característica interna é válido inferir que este toma uma forma semelhante ao de um ciclo histerético, isto porque existe uma diferença entre a curva ascendente e a curva descendente, apresentando-se os maiores valores de tensão sobre a curva descendente. Como esperado, quando nos aproximamos da excitação nula os valores de tensão de ambas as curvas tornam-se cada vez mais próximos. A saturação magnética não foi possível de observar (com pleno destaque) no gráfico da característica interna, no entanto se observarmos a tabela que o compôs podemos comprovar que, com a subida dos valores de corrente diminui em termos relativos o aumento da tensão na saída do gerador, factor este que invalida a linearidade do aumento da tensão com o aumento de Ie, corroborando o princípio da saturação magnética. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o “Práticas Oficinais e Laboratoriais 11º ano”- PINTO, António – Porto Editora; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11
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Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão rftg.development.googlepages.com Data de criação: 19 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 5 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 6 Valores Registados--------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 7 Conclusão ------------------------------------------- 8 Bibliografia -------------------------------------------- 9 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Objectivo − Estudo do dínamo de corrente contínua com excitação separada, em carga; − Estudo da sua característica externa; − Obtenção dos gráficos de U= f(I) e E0-U=f(I). Introdução Tal como sabemos nenhuma máquina apresenta um funcionamento ideal, não sendo excepção, os dínamos de corrente contínua (c. c.) apresentam também perdas nos seus circuitos magnético e eléctrico (e ainda nas partes mecânicas), perdas estas que irão afectar directamente o seu rendimento e também as suas características ideais. As variações do valor da tensão aos terminais do dínamo c. c. consoante o seu regime de carga (corrente fornecida) são uma característica fundamental do seu funcionamento, a qual é denominada de características externa. Consoante o tipo de ligação da excitação do dínamo, o valor da tensão diminui ou aumenta com o aumento do valor da corrente solicitada pela carga, sendo o conhecimento do comportamento dessa variação fulcral na medida em que, se este for conhecido podemos saber se estamos a fornecer ou não os valores correctos de alimentação à carga para os inúmeros regimes de funcionamento possíveis, sendo ainda possível actuar no dínamo de forma a corrigirmos essa característica indesejada. U E0 E0-U I I Fig.1 – Gráfico da Característica Externa U=f(I) (esquerda) e da Característica de quedas de tensão E0-U=f(I) (direita) do dínamo de excitação independente I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Centrando agora o nosso J estudo nos dínamos de excitação A independente, estudemos a influência do aumento da corrente II=IL no circuito induzido na tensão aos terminais do dínamo. Como sabemos neste tipo G L de ligação (ou em qualquer outra) dos enrolamentos indutor e RI.II induzido, toda a corrente que for fornecida à carga passará pelo enrolamento induzido; sabemos também que qualquer condutor K apresenta alguma resistência à passagem da corrente da Fig.2 – Dínamo de excitação separada, em carga eléctrica, logo, à medida que aumenta a corrente nos condutores do induzido aumenta a queda de tensão nos mesmos (U=R.I), diminuindo assim a diferença de potencial aplicada à carga. Um outro fenómeno que influencia, de forma depreciativa, a tensão aos terminais do dínamo, é a reacção do induzido sobre o indutor causada pela corrente que percorre os seus enrolamentos. Este fenómeno ocorre segundo os parâmetros da Lei de Indução de Faraday, em que os condutores do induzido, ao serem percorridos pela corrente que alimenta a carga, criam um fluxo magnético perpendicular ao gerado pelo indutor (fluxo principal). A soma destes dois fluxos irá dar origem a um fluxo resultante deformado em relação ao pretendido, verificando-se uma redução do fluxo nas zonas de entrada dos núcleos polares e uma concentração nas suas zonas de saída, resultando num deslocamento da linha neutra (L.N) (em relação aos pólos) sobre a qual se devem encontrar as escovas. Esta alteração provoca o aparecimento de chispas (pequenos arcos eléctricos) no momento em que as escovas comutam de lâmina, aumentando a temperatura do colector e das escovas (logo a sua resistência), diminuindo a durabilidade das escovas e a f.e.m. máxima colectada. Fluxo do indutor Fluxo do induzido Fluxo resultante Fig.3 – Reacção do induzido I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Com o objectivo de reduzir este efeito utilizam-se dois processos distintos mas ambos com comum finalidade. Um dos processos consiste em deslocar as escovas colectoras para a posição onde se encontra a linha neutra real (L.N.R), ou seja a linha neutra característica do regime de carga. Este processo apresenta a desvantagem de o dínamo ter sempre de funcionar no mesmo regime de carga, dado que uma variação deste irá deslocar a linha neutra real, despoletando os inconvenientes anteriormente referidos. Fig.4 – Posição da L.N.R. O segundo processo consiste na colocação de pólos auxiliares, que não são mais do que pólos que se colocam entre os pólos principais, e cuja polaridade será a do pólo seguinte (de acordo com o sentido de rotação do rótor). O seu processo de funcionamento tem como objectivo a preparação do induzido para a entrada no pólo principal, isto através da soma do seu fluxo electromagnético pólo auxiliar ao do fluxo indutor, anulando assim o efeito de Fig.5 – Posição e ligação dos pólos auxiliares reacção do induzido. Estes funcionam independentemente do regime de carga imposto, pois são propositadamente colocados em série com o induzido, para que, à medida que aumenta a corrente no mesmo (e concomitantemente o efeito da sua reacção), também aumente a corrente nos pólos auxiliares, proporcionando assim uma regulação automática e constante em função do regime de carga. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Esquema de montagem +125 V -125 V 40 A 40 A M L R q s t B A C D Fig.6 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt A 30 A V 30 A T A 2A q 2A M n G R Rx t s B C D Fig.7 – Esquema de montagem do dínamo com excitação separada a alimentar a carga R I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Material Utilizado Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Taquímetro Prova RM-1000 (T); Reóstato de arranque A16: 9; 27,8 A – 250 V; 6 kW; 1- Reóstato de excitação do motor; 1- Reóstato de excitação do gerador (Rx): 1,135 k ; 1- Motor de corrente contínua (M): 250 V – 25,5 A; 5,5 kW; 1- Gerador de corrente contínua (G): 250 V – 16 A; 4 kW; 1- Banco de resistências (R): 0,1 A – 26,2 A; 250 V c. c. 1- Banco de resistências (R): 0,1 A – 12,2 A; 250V c. c. Fios de ligação; Pontas de prova. 1111- Descrição do trabalho Este trabalho foi constituído apenas por um ensaio, tendo este decorrido da seguinte forma: o Efectuou-se a montagem dos esquemas eléctricos representados nas Fig.6 e Fig.7, tendo ligado os dois bancos de resistências em paralelo para se obter a resistência R; o Verificaram-se todas as ligações; o Efectuou-se o arranque do motor c. c. com o dínamo em vazio; o Estabilizou-se a velocidade do motor c. c. em 1500 r.p.m. e ajustou-se a excitação do dínamo até se obter E0 = 300 V; o Ligou-se a carga e, actuando nesta, aumentou-se a sua corrente absorvida de 2 em 2 A (até aos 16 A), manteve-se a velocidade de rotação e registou-se a cada incremento a tensão aos seus terminais (U); o Ajustou-se cuidadosamente a carga de modo a que esta absorve-se os 19,5 A e registou-se o valor de U; o Desligou-se a carga e a excitação do dínamo, desacelerou-se o motor, desligou-se o motor, desligou-se a I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 alimentação da bancada e desmontou-se ambos os circuitos eléctricos. Valores registados I (A) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 19,5 U (V) 300 295 291 288 283 280 275 271 267 259 E0 – U (V) 0 5 9 12 17 20 25 29 33 41 n (r.p.m.) 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 Resultados Gráfico da característica externa U= f(I): U 300 E0 250 200 150 100 50 0 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20I I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Gráfico da características das quedas de tensão E0-U=f(I): 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 E0-U 20 I Conclusão Após uma análise cuidada e atenta dos dados registados durante o decurso do ensaio bem como dos gráficos obtidos foi possível concluir, como esperado, que se mantivermos constante a velocidade de rotação do dínamo e a sua excitação o valor da tensão aos seus terminais, U, decresce (face ao seu valor em vazio, E0) à medida que aumenta o valor de corrente que a carga solicita, comprovando-se assim a teoria inerente a este fenómeno. Tal como sabemos o gráfico típico de U=f(I) apresenta um ponto de quebra na sua linearidade (em que U decresce de forma abrupta), assim como o gráfico típico de E0-U=f(I) apresenta também um ponto de quebra na sua linearidade (em que a diferença mencionada cresce abruptamente) quando a corrente solicitada pela carga tende para valores muito próximos do valor limite de corrente no induzido do dínamo, no entanto se atendermos aos gráficos obtidos podemos verificar que tal não ocorreu com o dínamo ensaiado. Este facto pode ter sido devido ao dínamo ensaiado possuir pólos auxiliares de compensação, que neste caso anularam a reacção do induzido, manifestando-se apenas um abaixamento de U derivado à resistência interna dos enrolamentos induzidos, que como sabemos, pela Lei de Ohm, apresenta um comportamento linear. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Visto que durante o ensaio se verificou que o motor c. c., que accionava o dínamo, foi sujeito a um esforço crescente proporcional ao aumento da carga, podemos também inferir que um aumento da carga nos terminais do dínamo provoca um aumento do binário mecânico resistente do mesmo, obrigando a um maior esforço da máquina (ou engrenagem) que o alimenta mecanicamente. Facilmente se depreende que este fenómeno se deve ao aumento da reacção do induzido sobre o indutor (que como referido aumento com a subida da carga), da qual resulta um efeito de travagem do rótor do dínamo. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9
Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão rftg.development.googlepages.com Data de criação: 19 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.00 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 5 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 6 Valores Registados--------------------------------- 7 Resultados -------------------------------------------- 7 Conclusão ------------------------------------------- 8 Bibliografia -------------------------------------------- 9 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Objectivo − Estudo do dínamo de corrente contínua com excitação separada, em carga; − Estudo da sua característica externa; − Obtenção dos gráficos de U= f(I) e E0-U=f(I). Introdução Tal como sabemos nenhuma máquina apresenta um funcionamento ideal, não sendo excepção, os dínamos de corrente contínua (c. c.) apresentam também perdas nos seus circuitos magnético e eléctrico (e ainda nas partes mecânicas), perdas estas que irão afectar directamente o seu rendimento e também as suas características ideais. As variações do valor da tensão aos terminais do dínamo c. c. consoante o seu regime de carga (corrente fornecida) são uma característica fundamental do seu funcionamento, a qual é denominada de características externa. Consoante o tipo de ligação da excitação do dínamo, o valor da tensão diminui ou aumenta com o aumento do valor da corrente solicitada pela carga, sendo o conhecimento do comportamento dessa variação fulcral na medida em que, se este for conhecido podemos saber se estamos a fornecer ou não os valores correctos de alimentação à carga para os inúmeros regimes de funcionamento possíveis, sendo ainda possível actuar no dínamo de forma a corrigirmos essa característica indesejada. U E0 E0-U I I Fig.1 – Gráfico da Característica Externa U=f(I) (esquerda) e da Característica de quedas de tensão E0-U=f(I) (direita) do dínamo de excitação independente I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Centrando agora o nosso J estudo nos dínamos de excitação A independente, estudemos a influência do aumento da corrente II=IL no circuito induzido na tensão aos terminais do dínamo. Como sabemos neste tipo G L de ligação (ou em qualquer outra) dos enrolamentos indutor e RI.II induzido, toda a corrente que for fornecida à carga passará pelo enrolamento induzido; sabemos também que qualquer condutor K apresenta alguma resistência à passagem da corrente da Fig.2 – Dínamo de excitação separada, em carga eléctrica, logo, à medida que aumenta a corrente nos condutores do induzido aumenta a queda de tensão nos mesmos (U=R.I), diminuindo assim a diferença de potencial aplicada à carga. Um outro fenómeno que influencia, de forma depreciativa, a tensão aos terminais do dínamo, é a reacção do induzido sobre o indutor causada pela corrente que percorre os seus enrolamentos. Este fenómeno ocorre segundo os parâmetros da Lei de Indução de Faraday, em que os condutores do induzido, ao serem percorridos pela corrente que alimenta a carga, criam um fluxo magnético perpendicular ao gerado pelo indutor (fluxo principal). A soma destes dois fluxos irá dar origem a um fluxo resultante deformado em relação ao pretendido, verificando-se uma redução do fluxo nas zonas de entrada dos núcleos polares e uma concentração nas suas zonas de saída, resultando num deslocamento da linha neutra (L.N) (em relação aos pólos) sobre a qual se devem encontrar as escovas. Esta alteração provoca o aparecimento de chispas (pequenos arcos eléctricos) no momento em que as escovas comutam de lâmina, aumentando a temperatura do colector e das escovas (logo a sua resistência), diminuindo a durabilidade das escovas e a f.e.m. máxima colectada. Fluxo do indutor Fluxo do induzido Fluxo resultante Fig.3 – Reacção do induzido I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Com o objectivo de reduzir este efeito utilizam-se dois processos distintos mas ambos com comum finalidade. Um dos processos consiste em deslocar as escovas colectoras para a posição onde se encontra a linha neutra real (L.N.R), ou seja a linha neutra característica do regime de carga. Este processo apresenta a desvantagem de o dínamo ter sempre de funcionar no mesmo regime de carga, dado que uma variação deste irá deslocar a linha neutra real, despoletando os inconvenientes anteriormente referidos. Fig.4 – Posição da L.N.R. O segundo processo consiste na colocação de pólos auxiliares, que não são mais do que pólos que se colocam entre os pólos principais, e cuja polaridade será a do pólo seguinte (de acordo com o sentido de rotação do rótor). O seu processo de funcionamento tem como objectivo a preparação do induzido para a entrada no pólo principal, isto através da soma do seu fluxo electromagnético pólo auxiliar ao do fluxo indutor, anulando assim o efeito de Fig.5 – Posição e ligação dos pólos auxiliares reacção do induzido. Estes funcionam independentemente do regime de carga imposto, pois são propositadamente colocados em série com o induzido, para que, à medida que aumenta a corrente no mesmo (e concomitantemente o efeito da sua reacção), também aumente a corrente nos pólos auxiliares, proporcionando assim uma regulação automática e constante em função do regime de carga. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Esquema de montagem +125 V -125 V 40 A 40 A M L R q s t B A C D Fig.6 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt A 30 A V 30 A T A 2A q 2A M n G R Rx t s B C D Fig.7 – Esquema de montagem do dínamo com excitação separada a alimentar a carga R I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Material Utilizado Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A); Taquímetro Prova RM-1000 (T); Reóstato de arranque A16: 9; 27,8 A – 250 V; 6 kW; 1- Reóstato de excitação do motor; 1- Reóstato de excitação do gerador (Rx): 1,135 k ; 1- Motor de corrente contínua (M): 250 V – 25,5 A; 5,5 kW; 1- Gerador de corrente contínua (G): 250 V – 16 A; 4 kW; 1- Banco de resistências (R): 0,1 A – 26,2 A; 250 V c. c. 1- Banco de resistências (R): 0,1 A – 12,2 A; 250V c. c. Fios de ligação; Pontas de prova. 1111- Descrição do trabalho Este trabalho foi constituído apenas por um ensaio, tendo este decorrido da seguinte forma: o Efectuou-se a montagem dos esquemas eléctricos representados nas Fig.6 e Fig.7, tendo ligado os dois bancos de resistências em paralelo para se obter a resistência R; o Verificaram-se todas as ligações; o Efectuou-se o arranque do motor c. c. com o dínamo em vazio; o Estabilizou-se a velocidade do motor c. c. em 1500 r.p.m. e ajustou-se a excitação do dínamo até se obter E0 = 300 V; o Ligou-se a carga e, actuando nesta, aumentou-se a sua corrente absorvida de 2 em 2 A (até aos 16 A), manteve-se a velocidade de rotação e registou-se a cada incremento a tensão aos seus terminais (U); o Ajustou-se cuidadosamente a carga de modo a que esta absorve-se os 19,5 A e registou-se o valor de U; o Desligou-se a carga e a excitação do dínamo, desacelerou-se o motor, desligou-se o motor, desligou-se a I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 alimentação da bancada e desmontou-se ambos os circuitos eléctricos. Valores registados I (A) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 19,5 U (V) 300 295 291 288 283 280 275 271 267 259 E0 – U (V) 0 5 9 12 17 20 25 29 33 41 n (r.p.m.) 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 Resultados Gráfico da característica externa U= f(I): U 300 E0 250 200 150 100 50 0 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20I I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Gráfico da características das quedas de tensão E0-U=f(I): 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 E0-U 20 I Conclusão Após uma análise cuidada e atenta dos dados registados durante o decurso do ensaio bem como dos gráficos obtidos foi possível concluir, como esperado, que se mantivermos constante a velocidade de rotação do dínamo e a sua excitação o valor da tensão aos seus terminais, U, decresce (face ao seu valor em vazio, E0) à medida que aumenta o valor de corrente que a carga solicita, comprovando-se assim a teoria inerente a este fenómeno. Tal como sabemos o gráfico típico de U=f(I) apresenta um ponto de quebra na sua linearidade (em que U decresce de forma abrupta), assim como o gráfico típico de E0-U=f(I) apresenta também um ponto de quebra na sua linearidade (em que a diferença mencionada cresce abruptamente) quando a corrente solicitada pela carga tende para valores muito próximos do valor limite de corrente no induzido do dínamo, no entanto se atendermos aos gráficos obtidos podemos verificar que tal não ocorreu com o dínamo ensaiado. Este facto pode ter sido devido ao dínamo ensaiado possuir pólos auxiliares de compensação, que neste caso anularam a reacção do induzido, manifestando-se apenas um abaixamento de U derivado à resistência interna dos enrolamentos induzidos, que como sabemos, pela Lei de Ohm, apresenta um comportamento linear. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Dínamo com Excitação Separada, em Carga, para Obtenção da sua Característica Externa e de Quedas de Tensão 19-05-2004 Visto que durante o ensaio se verificou que o motor c. c., que accionava o dínamo, foi sujeito a um esforço crescente proporcional ao aumento da carga, podemos também inferir que um aumento da carga nos terminais do dínamo provoca um aumento do binário mecânico resistente do mesmo, obrigando a um maior esforço da máquina (ou engrenagem) que o alimenta mecanicamente. Facilmente se depreende que este fenómeno se deve ao aumento da reacção do induzido sobre o indutor (que como referido aumento com a subida da carga), da qual resulta um efeito de travagem do rótor do dínamo. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9
Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento:
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Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica Traçado da Curva de Rendimento rftg.development.googlepages.com Data de criação: 26 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.02 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânicas e Mecânica Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 6 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 7 Valores Registados--------------------------------- 7 Cálculos ----------------------------------------------- 8 Resultados -------------------------------------------- 9 Conclusão ------------------------------------------- 11 Bibliografia -------------------------------------------- 12 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Objectivo − Estudo do motor shunt de corrente contínua; − Estudo das suas características electromecânicas: Obtenção da curva n = f (I ) ; Obtenção da curva T = f (I ) ; − Estudo da sua característica mecânica: Obtenção da curva n = f (T ) ; − Obtenção da curva de rendimento η = f (T ) − Determinação do rendimento máximo e da corrente absorvida nessa situação. Introdução Uma das vantagens da máquina de corrente contínua é possuir um funcionamento reversível, ou seja, pode funcionar como dínamo (absorvendo energia mecânica) ou como motor (absorvendo energia eléctrica). Estudaremos agora o seu funcionamento como motor. Visto que em trabalhos anteriores foi já descrita a máquina de corrente contínua passaremos unicamente a descrever questões ligadas ao seu funcionamento. O motor de corrente contínua (c. c.) possui um princípio de funcionamento baseado na Lei de Laplace (F = B × I × L ) , a qual refere que um condutor (de comprimento L ) que esteja a ser percorrido por uma corrente (de intensidade I ) estando no seio de um campo magnético ( B ) é sujeito a uma força (de intensidade F ). O sentido dessa força será o sentido em que o condutor se irá deslocar. Este pode ser obtido pela a aplicação da regra da mão direita, em que o dedo indicador nos aponta esse sentido. Fig.1 – Ilustração da aplicação da regra da mão direita para a obtenção do sentido da força I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Se ao passo de considerarmos um condutor considerarmos uma espira simples, assente sobre um eixo, no interior de um campo magnético a ser percorrida por uma corrente eléctrica, verificamos pelo princípio enunciado, que esta girará sobre o seu eixo, sendo o seu movimento devido ao binário de rotação criado pelos condutores (visto que a estes são aplicadas forças de sentidos contrários mas iguais direcções). Fig.2 – Binário exercido sobre uma espira ao ser percorrida por uma corrente no seio de um campo magnético Seguido agora o mesmo raciocínio mas considerando um rótor constituído por várias espiras inseridas num campo electromagnético gerado pelas bobines indutoras, verifica-se que todos os condutores activos (à excepção dos que se encontram sobre a linha neutra) exercem uma força, sendo a resultante desse conjunto de forças um binário de rotação, traduzido pela Fig.3 – Forças exercidas pelos condutores do seguinte expressão: induzido T = k × Φ × II em que k = Z×p a 2× p × m a = 2 Z = n º ranhuras × n º espiras × n º sec ções × 2 sec ção bobine Os enrolamentos do motor c. c. podem ser ligados da mesma forma que os enrolamentos do dínamo, logo poderemos ter uma excitação do tipo independente, série, paralelo ou composta (a qual se divide em excitação composta de longa A J derivação e em excitação de curta derivação). Rexc A excitação independente possui a M vantagem de permitir variar a velocidade de rotação desde as zero rotações e de permitir uma regulação uniforme do binário, visto que K a corrente no indutor e corrente no induzido B são independentes. Apresenta como Fig.4 – Excitação independente I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 desvantagem a necessidade de recurso a duas fontes de alimentação distintas, pelo que só é utilizada quando existe a necessidade de se dispor de uma elevada gama de velocidades durante longos períodos de tempo ou quando é imperativo fazer variações de velocidade em curtos espaços de tempo e até mesmo inversões do sentido de marcha. A excitação série é vantajosa nos casos em que sejam necessários elevados binários de Rexc arranque (pois a corrente que percorre o E M induzido é a mesma que percorre o indutor, que por sua vez é muito elevada no arranque A directo). A sua principal desvantagem reside na dificuldade de controlo da velocidade de F rotação (que depende constantemente da B carga) e do perigo de surgir o embalamento da Fig.5 – Excitação série máquina quando esta funciona em vazio (Nota: o embalamento origina a destruição da máquina por velocidade de rotação excessiva). Muito semelhante à excitação A independente, a excitação paralelo C Rexc permite uma boa regulação de velocidade (no entanto com uma menor M margem de manobra e uma menor precisão) no entanto possui a vantagem D de utilizar a mesma fonte de energia que B o motor. A desvantagem da utilização Fig.6 – Excitação paralela desta ligação é inerente ao facto de esta originar mais perdas por efeito de Joule. Em relação à ligação do tipo composta podemos dizer que esta colecta as vantagens da ligação série e da ligação paralela, pois no arranque a corrente no induzido contínua a circular na totalidade no enrolamento série, o que aliado à indução do enrolamento paralelo garante um forte binário de arranque; na situação de velocidade nominal (em que a corrente no induzido baixa) o fluxo série estabiliza e o fluxo paralelo mantém-se; diminui a reacção do induzido, sendo o fluxo útil total aproximadamente constante, eliminando o risco de embalamento; é conseguida uma boa regulação de velocidade. C Rexc A E M Rexc C Rexc A E M Rexc D F B D F B Fig.7 – Excitação composta de curta derivação Fig.8 – Excitação composta de longa derivação I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Consoante o indutor série é ou não o responsável pela indução principal, o motor será designado de série estabilizado ou derivação estabilizado. Para sabermos qual o funcionamento a esperar de motor de c. c. devemos conhecer as suas características de funcionamento, estas dividem-se em características electromecânicas (relações entre grandezas eléctricas e mecânicas) e características mecânicas (relações entre grandezas mecânicas). As características electromecânicas mais comuns são a característica binário em função da corrente absorvida (T = f (I )) e a característica de velocidade de rotação em função da corrente absorvida (n = f (I )) , que para os vários tipos de ligações assumem o aspecto representado respectivamente na Fig. 8 e Fig. 9. Fig.9 – Curvas típicas de T = f (I ) para Fig.10 – Curvas típicas de n = f (I ) para os vários tipos de ligações os vários tipos de ligações A característica mecânica mais usualmente representada expressa a variação da velocidade em função do binário motor (n = f (T )) . I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Esquema de montagem +110V -110 V V 40 A 40 A M A1 L R A2 q s t B A C D Fig.11 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt Material Utilizado 1211Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A1 e A2); Taquímetro Prova RM-1000; Reóstato de arranque GL 2,5: 7,25 A – 220 V; 1,5 kW; 1- Regulador shunt: 440 2 A – 220V; 1- Máquina de corrente contínua MV1034: 2 kW – 1400 r.p.m. Motor: 220 V – 12 A c.c. Excitação: 220 V – 0,8 A c.c.; 1- Máquina de frenagem MV1024; Fios de ligação; Pontas de prova. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Descrição do trabalho A condução do trabalho realizado deu-se da seguinte forma: o Efectuou-se a montagem do esquema eléctrico representado na Fig.11; o Verificaram-se todas as ligações; o Efectuou-se o arranque do motor c. c.; o Estabilizou-se a velocidade do motor em 1500 r.p.m. (Un = 300 V); o Ligou-se a máquina de freio, e ajustou-se o seu valor em T = 0 Nm; o Registaram-se os valores de U, Iabs, Ii, n e T; o Incrementou-se o valor do binário resistente (T na máquina de freio) de 1 em 1 Nm até ser atingida a corrente nominal do motor c. c.; registando-se a cada ajuste os valores de U, Iabs, Ii, n e T; o Deu-se continuidade ao aumento da carga até o motor atingir uma corrente absorvida 15 A; o Decrementou-se a carga mecânica até 0 Nm, desacelerouse o motor, desligou-se o motor, desligou-se a alimentação da bancada e desmontou-se o circuito eléctrico. Valores registados U (V) 219,5 218,3 218,2 217,8 217,6 218,0 219,5 219,1 219,5 219,4 218,8 218,8 219,1 218,3 219,2 219,1 219,1 219,2 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Iabs (A) 2,30 3,04 3,79 4,61 5,36 6,18 6,95 7,74 8,53 9,27 10,05 10,83 11,65 12,07 12,44 13,23 14,04 14,95 Ii (a) 0,931 0,909 0,892 0,870 0,865 0,860 0,855 0,847 0,839 0,836 0,828 0,822 0,814 0,810 0,808 0,803 0,799 0,797 n (r.p.m.) T (Nm) 1490 1483 1473 1463 1456 1446 1451 1440 1430 1427 1392 1398 1391 1387 1384 1370 1360 1347 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12,5 13 14 15 16,3 Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Cálculos Pabs = U × I abs (W ) 505 664 827 1004 1166 1347 1526 1696 1872 2034 2199 2370 2553 2635 2727 2899 3076 3277 Pútil = Tútil × 2×π × n (W ) 60 0 155 309 460 610 757 912 1056 1198 1345 1458 1610 1748 1816 1884 2009 2136 2299 η= Pútil × 100 (% ) Pabs 0,0 23,4 37,3 45,8 52,3 56,2 59,8 62,2 64,0 66,1 66,3 68,0 68,5 68,9 69,1 69,3 69,4 70,2 Na situação de rendimento máximo: U = 218,3 V ; n = 1387 r. p.m.; T = 12,5 Nm; I abs = 12,07 A; I i = 0,810 A Logo: (Ri + Rexc ) = U Ii Tele = = 218,3 = 269,5 Ω 0,810 I I = I − I i = 12,07 − 0,810 = 11,26 A k × Φ × II k × Φ × 11,26 ⇔ 12,5 = ⇔ k × Φ = 6,96 Wb 2π 2π 1387 E = k × Φ × n rot .s −1 = 6,96 × = 161,2 V 60 218,3 − 161,2 U = E + RI I I ⇔ RI = = 5,1 Ω 11,26 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Resultados Gráfico de n = f (I abs ) : 1500 1400 1300 1200 1100 1000 n (r.p.m.) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Iabs (A) Gráfico de T = f (I abs ) : 16 14 12 T (Nm) 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Iabs (A) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Gráfico de n = f (T ) : 1600 1500 1400 1300 1200 1100 n 1000 (r.p.m.) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 T (Nm) Gráfico de η = f (I abs ) : 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Iabs (A) 10 11 12 13 14 15 16 η (% ) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 O valor do rendimento máximo ocorre para um valor de corrente no induzido do permitido, portanto o valor máximo de rendimento será considerado no ponto em que é atingido o funcionamento nominal do motor, ou seja: η máx = 68,9% para I abs = In = 12,07 A Características do motor em funcionamento a máximo rendimento: Ii=0,810 A I=12,07 A II=0,810 A Ri (Ri+Rexc)=269,5 M Rexc E=161,2 V RI=5,1 U=218,3 V Conclusão Posteriormente a uma análise atenta dos valores obtidos durante o ensaio, dos cálculos efectuados e resultados obtidos proporcionou-se a inferência de várias conclusões acerca do funcionamento do motor shunt ensaiado, as quais se encontram seguidamente patentes. Em relação à característica de velocidade (n = f (I )) podemos referir que, neste tipo de motor, a velocidade de rotação decresce, ligeiramente (neste motor das 1490 para as 1347, ou seja 9,6% de n0), à medida que aumenta a corrente no induzido. Este fenómeno deve-se ao facto de diminuir a f.c.e.m. do induzido devido à queda de tensão nos seus enrolamentos. No entanto é imperativo afirmar que a característica se demonstrou linear em todo o seu domínio, não tendo sido verificado o decréscimo abrupto da velocidade de rotação para os valores de corrente superiores à corrente nominal do motor, concluindo que não se manifestou o fenómeno de saturação magnética comum destas máquinas. Observando agora a característica do binário (T = f (I )) verificamos que este aumentou linearmente com o aumento da corrente. Este comportamento foi algo inesperado, visto que seria I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 normal que para valores limites de corrente a curva da característica do binário se tornasse aproximadamente horizontal, isto também devido à saturação magnética. Devido aos factos referidos relativamente à análise das características electromecânicas e pelo relacionamento destas com a característica mecânica da variação da velocidade com o binário (n = f (T )) , é possível justificar o facto de não ter também ocorrido um decréscimo abrupto da velocidade quando o binário atingiu os valores máximos. No entanto verificou-se que a velocidade de rotação diminui com o aumento do binário gerado pelo motor. No que respeita à curva do rendimento (η = f (I abs )) constatou-se que o rendimento cresce de forma muito rápida com o aumento da corrente, tornando-se o seu crescimento mais estável à medida que a corrente atinge valores de ordem nominal. No entanto o seu valor máximo, contrariamente ao esperado, foi obtido quando foi atingida a máxima corrente ensaiada, valor esse que foi superior à corrente nominal do motor (factor que levou a que nos cálculos efectuados se considera-se ηmáx = 68,9% , atingido à corrente nominal de cerca de 12 A), o que aponta para que a verificação do ponto de funcionamento ideal do motor (em termos de rendimento) não tenha sido conseguida com pleno sucesso, pois supostamente o rendimento deveria aumentar até um valor máximo e seguidamente decrescer progressivamente devido ao aumento significativo das perdas magnéticas e por efeito Joule. Em resumo, e de acordo com os presentes dados, é válido referir que o ensaio realizado não comprovou toda a teoria a ele inerente, visto que, ao não se terem manifestado os efeitos da saturação magnética no motor ensaiado todas as curvas de características e a curva de rendimento surgiram afectadas, não se verificando os seus pontos de deflexão crítica habitualmente presentes. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o “Máquinas Eléctricas – Máquinas Eléctricas de Corrente Contínua” – CARVALHO, José Beleza de – D.E.E. - I.S.E.P. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 12
Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica Traçado da Curva de Rendimento rftg.development.googlepages.com Data de criação: 26 de Maio de 2004 Última Actualização: 26 de Abril de 2008 Versão: v0.02 – 26/ABR/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “www.rftg.development.googlepages.com”. O material contido neste documento constitui apenas uma informação de carácter geral baseada em experiências pessoais e não pretende de forma alguma influenciar o leitor sobre qualquer matéria específica. O conteúdo deste documento é fornecido como uma comodidade para os leitores e é constituído apenas por informação não vinculativa. O conteúdo deste documento é fornecido “como está” e não se oferece qualquer garantia sobre o mesmo. O autor do documento declina qualquer responsabilidade em caso de prejuízos que possam ocorrer pelo facto de alguém se basear na informação contida neste documento, uma vez que essa informação é de carácter meramente informativo, não se prometendo ou garantindo que seja precisa, completa e actualizada. O mesmo se aplica ao conteúdo de qualquer referência realizado no mesmo. Quaisquer conflitos decorrentes do uso ou relacionados com este documento, ou respeitantes a direitos de autor e/ou propriedade intelectual sobre materiais que façam parte deste documento deverão ser regidos pela Legislação Portuguesa e sujeitos à jurisdição dos tribunais de Portugal. A leitura deste documento e sua utilização pressupõe a aceitação destas condições. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes. rftg.development.googlepages.com Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica Curso de Engenharia Electrotécnica – Electrónica e Computadores Disciplina de Máquinas Eléctricas Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânicas e Mecânica Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Trabalho elaborado por: Ricardo Filipe Teixeira Gomes Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Índice Objectivo --------------------------------------------- 2 Introdução ------------------------------------------- 2 Esquema de Montagem ----------------------- 6 Material Utilizado ---------------------------------- 6 Descrição do Trabalho -------------------------- 7 Valores Registados--------------------------------- 7 Cálculos ----------------------------------------------- 8 Resultados -------------------------------------------- 9 Conclusão ------------------------------------------- 11 Bibliografia -------------------------------------------- 12 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 1 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Objectivo − Estudo do motor shunt de corrente contínua; − Estudo das suas características electromecânicas: Obtenção da curva n = f (I ) ; Obtenção da curva T = f (I ) ; − Estudo da sua característica mecânica: Obtenção da curva n = f (T ) ; − Obtenção da curva de rendimento η = f (T ) − Determinação do rendimento máximo e da corrente absorvida nessa situação. Introdução Uma das vantagens da máquina de corrente contínua é possuir um funcionamento reversível, ou seja, pode funcionar como dínamo (absorvendo energia mecânica) ou como motor (absorvendo energia eléctrica). Estudaremos agora o seu funcionamento como motor. Visto que em trabalhos anteriores foi já descrita a máquina de corrente contínua passaremos unicamente a descrever questões ligadas ao seu funcionamento. O motor de corrente contínua (c. c.) possui um princípio de funcionamento baseado na Lei de Laplace (F = B × I × L ) , a qual refere que um condutor (de comprimento L ) que esteja a ser percorrido por uma corrente (de intensidade I ) estando no seio de um campo magnético ( B ) é sujeito a uma força (de intensidade F ). O sentido dessa força será o sentido em que o condutor se irá deslocar. Este pode ser obtido pela a aplicação da regra da mão direita, em que o dedo indicador nos aponta esse sentido. Fig.1 – Ilustração da aplicação da regra da mão direita para a obtenção do sentido da força I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 2 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Se ao passo de considerarmos um condutor considerarmos uma espira simples, assente sobre um eixo, no interior de um campo magnético a ser percorrida por uma corrente eléctrica, verificamos pelo princípio enunciado, que esta girará sobre o seu eixo, sendo o seu movimento devido ao binário de rotação criado pelos condutores (visto que a estes são aplicadas forças de sentidos contrários mas iguais direcções). Fig.2 – Binário exercido sobre uma espira ao ser percorrida por uma corrente no seio de um campo magnético Seguido agora o mesmo raciocínio mas considerando um rótor constituído por várias espiras inseridas num campo electromagnético gerado pelas bobines indutoras, verifica-se que todos os condutores activos (à excepção dos que se encontram sobre a linha neutra) exercem uma força, sendo a resultante desse conjunto de forças um binário de rotação, traduzido pela Fig.3 – Forças exercidas pelos condutores do seguinte expressão: induzido T = k × Φ × II em que k = Z×p a 2× p × m a = 2 Z = n º ranhuras × n º espiras × n º sec ções × 2 sec ção bobine Os enrolamentos do motor c. c. podem ser ligados da mesma forma que os enrolamentos do dínamo, logo poderemos ter uma excitação do tipo independente, série, paralelo ou composta (a qual se divide em excitação composta de longa A J derivação e em excitação de curta derivação). Rexc A excitação independente possui a M vantagem de permitir variar a velocidade de rotação desde as zero rotações e de permitir uma regulação uniforme do binário, visto que K a corrente no indutor e corrente no induzido B são independentes. Apresenta como Fig.4 – Excitação independente I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 3 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 desvantagem a necessidade de recurso a duas fontes de alimentação distintas, pelo que só é utilizada quando existe a necessidade de se dispor de uma elevada gama de velocidades durante longos períodos de tempo ou quando é imperativo fazer variações de velocidade em curtos espaços de tempo e até mesmo inversões do sentido de marcha. A excitação série é vantajosa nos casos em que sejam necessários elevados binários de Rexc arranque (pois a corrente que percorre o E M induzido é a mesma que percorre o indutor, que por sua vez é muito elevada no arranque A directo). A sua principal desvantagem reside na dificuldade de controlo da velocidade de F rotação (que depende constantemente da B carga) e do perigo de surgir o embalamento da Fig.5 – Excitação série máquina quando esta funciona em vazio (Nota: o embalamento origina a destruição da máquina por velocidade de rotação excessiva). Muito semelhante à excitação A independente, a excitação paralelo C Rexc permite uma boa regulação de velocidade (no entanto com uma menor M margem de manobra e uma menor precisão) no entanto possui a vantagem D de utilizar a mesma fonte de energia que B o motor. A desvantagem da utilização Fig.6 – Excitação paralela desta ligação é inerente ao facto de esta originar mais perdas por efeito de Joule. Em relação à ligação do tipo composta podemos dizer que esta colecta as vantagens da ligação série e da ligação paralela, pois no arranque a corrente no induzido contínua a circular na totalidade no enrolamento série, o que aliado à indução do enrolamento paralelo garante um forte binário de arranque; na situação de velocidade nominal (em que a corrente no induzido baixa) o fluxo série estabiliza e o fluxo paralelo mantém-se; diminui a reacção do induzido, sendo o fluxo útil total aproximadamente constante, eliminando o risco de embalamento; é conseguida uma boa regulação de velocidade. C Rexc A E M Rexc C Rexc A E M Rexc D F B D F B Fig.7 – Excitação composta de curta derivação Fig.8 – Excitação composta de longa derivação I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 4 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Consoante o indutor série é ou não o responsável pela indução principal, o motor será designado de série estabilizado ou derivação estabilizado. Para sabermos qual o funcionamento a esperar de motor de c. c. devemos conhecer as suas características de funcionamento, estas dividem-se em características electromecânicas (relações entre grandezas eléctricas e mecânicas) e características mecânicas (relações entre grandezas mecânicas). As características electromecânicas mais comuns são a característica binário em função da corrente absorvida (T = f (I )) e a característica de velocidade de rotação em função da corrente absorvida (n = f (I )) , que para os vários tipos de ligações assumem o aspecto representado respectivamente na Fig. 8 e Fig. 9. Fig.9 – Curvas típicas de T = f (I ) para Fig.10 – Curvas típicas de n = f (I ) para os vários tipos de ligações os vários tipos de ligações A característica mecânica mais usualmente representada expressa a variação da velocidade em função do binário motor (n = f (T )) . I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 5 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Esquema de montagem +110V -110 V V 40 A 40 A M A1 L R A2 q s t B A C D Fig.11 – Esquema de montagem do motor DC com excitação shunt Material Utilizado 1211Multímetro digital Fluke 179 III (V); Pinça amperimétrica Prova 11 (A1 e A2); Taquímetro Prova RM-1000; Reóstato de arranque GL 2,5: 7,25 A – 220 V; 1,5 kW; 1- Regulador shunt: 440 2 A – 220V; 1- Máquina de corrente contínua MV1034: 2 kW – 1400 r.p.m. Motor: 220 V – 12 A c.c. Excitação: 220 V – 0,8 A c.c.; 1- Máquina de frenagem MV1024; Fios de ligação; Pontas de prova. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 6 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Descrição do trabalho A condução do trabalho realizado deu-se da seguinte forma: o Efectuou-se a montagem do esquema eléctrico representado na Fig.11; o Verificaram-se todas as ligações; o Efectuou-se o arranque do motor c. c.; o Estabilizou-se a velocidade do motor em 1500 r.p.m. (Un = 300 V); o Ligou-se a máquina de freio, e ajustou-se o seu valor em T = 0 Nm; o Registaram-se os valores de U, Iabs, Ii, n e T; o Incrementou-se o valor do binário resistente (T na máquina de freio) de 1 em 1 Nm até ser atingida a corrente nominal do motor c. c.; registando-se a cada ajuste os valores de U, Iabs, Ii, n e T; o Deu-se continuidade ao aumento da carga até o motor atingir uma corrente absorvida 15 A; o Decrementou-se a carga mecânica até 0 Nm, desacelerouse o motor, desligou-se o motor, desligou-se a alimentação da bancada e desmontou-se o circuito eléctrico. Valores registados U (V) 219,5 218,3 218,2 217,8 217,6 218,0 219,5 219,1 219,5 219,4 218,8 218,8 219,1 218,3 219,2 219,1 219,1 219,2 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Iabs (A) 2,30 3,04 3,79 4,61 5,36 6,18 6,95 7,74 8,53 9,27 10,05 10,83 11,65 12,07 12,44 13,23 14,04 14,95 Ii (a) 0,931 0,909 0,892 0,870 0,865 0,860 0,855 0,847 0,839 0,836 0,828 0,822 0,814 0,810 0,808 0,803 0,799 0,797 n (r.p.m.) T (Nm) 1490 1483 1473 1463 1456 1446 1451 1440 1430 1427 1392 1398 1391 1387 1384 1370 1360 1347 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12,5 13 14 15 16,3 Máquinas Eléctricas 7 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Cálculos Pabs = U × I abs (W ) 505 664 827 1004 1166 1347 1526 1696 1872 2034 2199 2370 2553 2635 2727 2899 3076 3277 Pútil = Tútil × 2×π × n (W ) 60 0 155 309 460 610 757 912 1056 1198 1345 1458 1610 1748 1816 1884 2009 2136 2299 η= Pútil × 100 (% ) Pabs 0,0 23,4 37,3 45,8 52,3 56,2 59,8 62,2 64,0 66,1 66,3 68,0 68,5 68,9 69,1 69,3 69,4 70,2 Na situação de rendimento máximo: U = 218,3 V ; n = 1387 r. p.m.; T = 12,5 Nm; I abs = 12,07 A; I i = 0,810 A Logo: (Ri + Rexc ) = U Ii Tele = = 218,3 = 269,5 Ω 0,810 I I = I − I i = 12,07 − 0,810 = 11,26 A k × Φ × II k × Φ × 11,26 ⇔ 12,5 = ⇔ k × Φ = 6,96 Wb 2π 2π 1387 E = k × Φ × n rot .s −1 = 6,96 × = 161,2 V 60 218,3 − 161,2 U = E + RI I I ⇔ RI = = 5,1 Ω 11,26 I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 8 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Resultados Gráfico de n = f (I abs ) : 1500 1400 1300 1200 1100 1000 n (r.p.m.) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Iabs (A) Gráfico de T = f (I abs ) : 16 14 12 T (Nm) 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Iabs (A) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 9 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 Gráfico de n = f (T ) : 1600 1500 1400 1300 1200 1100 n 1000 (r.p.m.) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 T (Nm) Gráfico de η = f (I abs ) : 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Iabs (A) 10 11 12 13 14 15 16 η (% ) I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 10 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 O valor do rendimento máximo ocorre para um valor de corrente no induzido do permitido, portanto o valor máximo de rendimento será considerado no ponto em que é atingido o funcionamento nominal do motor, ou seja: η máx = 68,9% para I abs = In = 12,07 A Características do motor em funcionamento a máximo rendimento: Ii=0,810 A I=12,07 A II=0,810 A Ri (Ri+Rexc)=269,5 M Rexc E=161,2 V RI=5,1 U=218,3 V Conclusão Posteriormente a uma análise atenta dos valores obtidos durante o ensaio, dos cálculos efectuados e resultados obtidos proporcionou-se a inferência de várias conclusões acerca do funcionamento do motor shunt ensaiado, as quais se encontram seguidamente patentes. Em relação à característica de velocidade (n = f (I )) podemos referir que, neste tipo de motor, a velocidade de rotação decresce, ligeiramente (neste motor das 1490 para as 1347, ou seja 9,6% de n0), à medida que aumenta a corrente no induzido. Este fenómeno deve-se ao facto de diminuir a f.c.e.m. do induzido devido à queda de tensão nos seus enrolamentos. No entanto é imperativo afirmar que a característica se demonstrou linear em todo o seu domínio, não tendo sido verificado o decréscimo abrupto da velocidade de rotação para os valores de corrente superiores à corrente nominal do motor, concluindo que não se manifestou o fenómeno de saturação magnética comum destas máquinas. Observando agora a característica do binário (T = f (I )) verificamos que este aumentou linearmente com o aumento da corrente. Este comportamento foi algo inesperado, visto que seria I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 11 Ensaio de um Motor Shunt de Corrente Contínua para Obtenção da sua Característica Electromecânica e Mecânica - Traçado da Curva de Rendimento 26-05-2004 normal que para valores limites de corrente a curva da característica do binário se tornasse aproximadamente horizontal, isto também devido à saturação magnética. Devido aos factos referidos relativamente à análise das características electromecânicas e pelo relacionamento destas com a característica mecânica da variação da velocidade com o binário (n = f (T )) , é possível justificar o facto de não ter também ocorrido um decréscimo abrupto da velocidade quando o binário atingiu os valores máximos. No entanto verificou-se que a velocidade de rotação diminui com o aumento do binário gerado pelo motor. No que respeita à curva do rendimento (η = f (I abs )) constatou-se que o rendimento cresce de forma muito rápida com o aumento da corrente, tornando-se o seu crescimento mais estável à medida que a corrente atinge valores de ordem nominal. No entanto o seu valor máximo, contrariamente ao esperado, foi obtido quando foi atingida a máxima corrente ensaiada, valor esse que foi superior à corrente nominal do motor (factor que levou a que nos cálculos efectuados se considera-se ηmáx = 68,9% , atingido à corrente nominal de cerca de 12 A), o que aponta para que a verificação do ponto de funcionamento ideal do motor (em termos de rendimento) não tenha sido conseguida com pleno sucesso, pois supostamente o rendimento deveria aumentar até um valor máximo e seguidamente decrescer progressivamente devido ao aumento significativo das perdas magnéticas e por efeito Joule. Em resumo, e de acordo com os presentes dados, é válido referir que o ensaio realizado não comprovou toda a teoria a ele inerente, visto que, ao não se terem manifestado os efeitos da saturação magnética no motor ensaiado todas as curvas de características e a curva de rendimento surgiram afectadas, não se verificando os seus pontos de deflexão crítica habitualmente presentes. Bibliografia: o “Tecnologias 12º ano” – PINTO, António; CALDEIRA, José – Edição Revista – Porto Editora; o Apontamentos de Máquinas Eléctricas 2004 – NEVES, Betina Campos; o “Máquinas Eléctricas – Máquinas Eléctricas de Corrente Contínua” – CARVALHO, José Beleza de – D.E.E. - I.S.E.P. I.P.P.-I.S.E.P. – D.E.E.-E.C. Máquinas Eléctricas 12
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