UNIVERSIDADE FEDERAL FEDERAL DO CEARÁ - UFC CENTRO DE TECNOLOGIA - CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE
LABORATÓRIO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS I
Relatório da Prática 10
Operação Direta da Máquina de Indução Trifásica - MIT
Bancada:
02
Equipe:
Breno Bezerra Chaves – 336649 336649 Lorena de Castro Dantas – 366317 366317 Maria Yasmin Almeida Sampaio – 356290 356290
Professor: Sérgio Daher Turma: 03A (Segunda-Feira, 10h-12h)
Fortaleza (13/06/2016)
SUMÁRIO
1. OBJETIVOS __________________________________________________________ 3 2. MATERIAL UTILIZADO _______________________________________________ 3 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ____________________________________ 4 3.1.
Corrente de Partida e de Regime - MIT ________________________________ 7
3.2.
Gerador CC com Excitação Independente ______________________________ 8
3.2.1 Procedimento para comparação _______________________________________ 9 3.2.2 Curvas Características _____________________________________________ 10 3.3.
Reação à Queda de Fase ____________________________________________ 11
4. CONCLUSÃO ________________________________________________________ 13 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ____________________________________ 14
2
1. OBJETIVOS
Verificar a partida e operação da MIT alimentada a partir da rede;
Verificar o processo de inversão de velocidade da MIT;
Observar o comportamento da MIT com carga;
Verificar as consequências da falta de uma fase.
2. MATERIAL UTILIZADO
Bancada com retificador a diodo; Reostato de 2200 Ohms;
Multímetro digital;
1 Voltímetro Analógico CC (0 – 500 V);
1 Amperímetro Analógico CC (0 – 10 A);
1 gerador CC;
1 motor de indução trifásico;
Banco de lâmpadas;
Tacômetro digital;
Osciloscópio digital;
Ponteira de corrente para o osciloscópio;
Cabos e conectores.
3
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Para o estudo da MIT (Máquina de Indução Trifásica) utilizou-se a máquina do fabricante “EletroMáquinas ANEL S.A.” ,
cuja placa está representada na Figura 1 e as
características estão melhor detalhadas na Tabela 1. Para o experimento, utilizou-se a ligação em estrela, predeterminada por sua instalação na bancada do laboratório. Figura 1 - Dados de placa da MIT
Fonte: O próprio Autor Tabela 1 - Características da MIT utilizada
Delta
E strela
Tensão Nominal (V)
220
380
Corrente Nominal (A)
13
7,5
F requência Nominal (H z)
50
Potência Nominal (H P)
5
Velocidade Nominal (rpm)
1450
F ator de Potência
0,87
Número de Polos
4
Fonte: O próprio Autor
A máquina utilizada foi construída para funcionar conectada à rede de frequência 50 Hz, mas foi acionada pela rede local de 60 Hz. Não há prejuízos consideráveis à máquina, visto que seu funcionamento é apenas para experimentos laboratoriais com fins educativos, ou seja, por 4
um curto espaço de tempo. Como consequência dessa alteração de frequência, sua velocidade nominal de rotação irá aumentar, podendo ser calculado por uma simples regra de três, como apresentado na equação (1). = .
= 1450. (1,2) → = 1740
(1)
Após o conhecimento dos dados de funcionamento da máquina para a frequência da rede, realizou-se a ligação direta da MIT à alimentação trifásica de 380 V de linha, de acordo com o esquemático mostrado na Figura 2. Após a partida, observou-se que a rotação da máquina ocorreu no sentido horário, e com velocidade 1797 rpm, medido com o auxílio de um tacômetro digital. Este valor é maior que o nominal, pois a máquina está operando a vazio. Figura 2 - Ligação direta da MIT
Fonte: Roteiro de Aulas Práticas – Disciplina de Máquinas Elétricas. DAHER, 2016.
Antes de prosseguir com a descrição do procedimento, deve-se ter em mente que a definição de velocidade síncrona de uma máquina é a velocidade de rotação do campo girante presente no estator, ou seja, a velocidade do vetor resultante do somatório dos três campos pulsantes no tempo (ondas senoidais defasadas 120° elétricos e mecânicos) produzidos pelas fases que alimentam a máquina.
í = . → ( − ) = 1800
(2)
Onde p é o número de polos. Como a máquina foi ligada a vazio, a velocidade atingida é muito próxima da velocidade síncrona esperada (1800 rpm) para uma máquina de 4 polos. A pequena variação é consequência de um leve escorregamento (a definição será apresentada a seguir) presente na máquina em virtude de seus aspectos construtivos e princípios de funcionamento. Este escorregamento é calculado a seguir na equação (3): =
−9
= 0,16%
(3)
5
Escorregamento é definido pela diferença entre a velocidade relativa entre a velocidade síncrona da máquina (de acordo com o número de polos) e a velocidade mecânica desenvolvida pelo rotor. Este fator é essencial para o funcionamento de uma máquina de indução, que é dita ser uma máquina assíncrona, pois ele garante que sempre existirá uma diferença entre a velocidade do rotor e a do campo girante, já que no momento em que o rotor atingir a velocidade síncrona, o torque de rotação será nulo, e a máquina perderá sua função. O escorregamento nominal da máquina é calculado na equação (4). =
−
= 3,33%
(4)
Foram realizadas três partidas da máquina a vazio, invertendo-se a posição de duas fases a cada vez. A cada mudança, observou-se a inversão do sentido de rotação, respectivamente: horário
→
anti-horário
horário. A explicação para este fenômeno está na essência do campo
→
girante, pois a cada mudança na posição de um par de fases da máquina, muda-se o sentido de rotação do campo e, como o rotor está sempre “seguindo” o campo produzido no estator, altera-
se também o sentido de rotação mecânica. Observe na Figura 3 a representação do campo girante formado pelo arranjo de fases ABC. Figura 3 - Formação do Campo Girante
Fonte: Autor Desconhecido 6
3.1. Corrente de Partida e de Regime - MIT Com o osciloscópio, observou-se a corrente de partida e de regime da MIT a vazio, obtendo-se as formas de onda da Figura 3. Observa-se que há um pico inicial de corrente, que é aproximadamente oito vezes maior que o valor de regime, mais estável e que aparece no final do eixo de tempo. Figura 4 - Corrente de partida e de regime, respectivamente
Fonte: O próprio Autor
Com o valor de corrente máxima de partida da primeira imagem da Figura 4 e o conhecimento da corrente nominal da máquina, é possível determinar a relação I P/I N, um parâmetro de extrema importância para a MIT. A equação (5) apresenta o cálculo deste parâmetro.
=
, ,
= 8,853
(5)
Um fato interessante é que embora a corrente possua um valor muito elevado na partida em relação à de regime, o torque se mantém um pouco mais estável, podendo até ser menor. Uma faixa comum é em torno de 60% a 350% do valor nominal. Já a corrente a vazio (segunda imagem da Figura 4) tem uma faixa de variação mais restrita, ficando em torno de 20% a 60% da corrente nominal. Na equação (6) encontra-se o cálculo desta relação.
=
, ,
= 43,07%
(6)
7
3.2. Gerador CC com Excitação Independente Para a segunda parte da prática, realizou-se a ligação da máquina CC acoplada ao eixo da MIT para operar como gerador, de acordo com o esquemático da Figura 5. O reostato (0 – 2200 Ω) foi ajustado para um valor médio (em torno de 1200Ω) para limitar a corr ente
de
partida. O banco de lâmpadas utilizado como carga foi acionado completamente, para partida a carga máxima, com uma potência em torno de 1050 W. Figura 5 - Ligação do gerador com excitação independente
Fonte: Roteiro de Aulas Práticas – Disciplina de Máquinas Elétricas. DAHER, 2016.
A máquina foi acionada ao limite de carga de 1050 W (valor total de potência absorvido pelas lâmpadas quando em funcionamento sob condições nominais de tensão e corrente). Ajustou-se o reostato de modo a fornecer os valores de tensão de carga (V g) mostrados na Tabela 2, medindo-se sempre os valores referentes a carga de corrente (I L) e potência (P), a velocidade de rotação do gerador (n) e o escorregamento (s). Tabela 2 - Dados de funcionamento do gerador V g (V)
I L (A)
P (W)
n (rpm)
s (%)
80
2,4
192
1793
0,39
100
2,6
260
1792
0,44
120
3
360
1791
0,50
140
3,2
448
1789
0,61
160
3,4
544
1786
0,78
180
3,6
648
1783
0,94
200
3,8
760
1782
1,00
220
4
880 1779 Fonte: O próprio Autor
1,17
8
Observa-se que a MIT possui uma boa regulação de velocidade, com redução de apenas 14 rpm para a condição de carga máxima aplicada. Na equação (7) calcula-se o valor da regulação para esta condição de operação. á =
9−9 9
= 0,78%
(7)
3.2.1 Procedimento para comparação Na Tabela 3 encontram-se os dados referentes ao mesmo procedimento na mesma máquina realizado em outro dia, modificando-se apenas a carga de lâmpadas para 700 W. Observa-se que os dados são bem similares, e as pequenas variações podem ter sido consequência da diferença de carga ou de erros de medição. Na equação 7, é calculada a regulação de velocidade nas mesmas condições do primeiro caso, mas referido aos dados da Tabela 3. Tabela 3 - Dados de funcionamento do gerador Vg (V)
I L (A)
P (W)
n (rpm)
s (%)
80
2,6
208
1794
0,33
100
3
300
1792
0,44
120
3,2
384
1791
0,50
140
3,6
504
1787
0,72
160
3,8
608
1785
0,83
180
4,05
729
1782
1,00
200
4,15
830
1777
1,28
220
4,5
990
1776
1,33
Fonte: O próprio Autor
á =
9− 9
= 1%
(7)
9
3.2.2 Curvas Características Os Gráficos 1 e 2 apresentam as curvas de velocidade de rotação e escorregamento da máquina, respectivamente, em função da potência de carga. Ambos possuem curvas para os dados das Tabelas 2 e 3, podendo assim realizar uma melhor comparação dos mesmos. Gráfico 1 - Curva de velocidade x Potência de Carga Tabela 2
Tabela 3
1796 1794
) 1792 m1790 p r 1788 ( e 1786 d a 1784 d i c 1782 o l e 1780 V 1778 1776 1774 150
250
350
450
550
650
750
850
950
850
950
Potência da Carga (W)
Fonte: O próprio Autor Gráfico 2 - Escorregamento x Potência de Carga Tabela 2
Tabela 3
1.4
) 1.2 m p r 1 ( o t n0.8 e m a 0.6 g e r r 0.4 o c s 0.2 E 0 150
250
350
450
550
650
750
Potência da Carga (W)
Fonte: O próprio Autor
10
3.3. Reação à Queda de Fase Analisou-se em seguida o comportamento da máquina quando alimentada com apenas duas fases, no esquema de ligação da Figura 2. No momento da partida, a máquina não conseguiu desenvolver torque, emitindo um grande ruído, ou seja, a MIT não é capaz de partir com apenas duas fases. Este comportamento é justificado pelo fato da MIT necessitar de uma potência muito grande durante a partida, em razão da corrente requisitada ser muito elevada, o que não é suprido por apenas duas fases. Na Figura 6 pode-se ver a magnitude da corrente durante o acionamento a duas fases (em que a máquina não realiza partida), importante observar que a escala vertical está em 20V (corresponde a A) por divisão, para comparação com o próximo caso. Figura 6 - Corrente de entrada durante acionamento a duas fases
Fonte: O próprio Autor
Outra questão é a necessidade de origem do campo girante, que apenas seria possível em um sistema bifásico se a defasagem fosse de 90°, o que não ocorre na retirada de uma fase do sistema trifásico. No entanto, se a máquina já estiver em funcionamento e o campo girante já iniciado, é possível manter o funcionamento com apenas duas fases, resultando apenas no aumento das correntes de cada fase, já que terão de compensar a perda da terceira. Na Figura 7 observa-se a transição da corrente de entrada da MIT no momento da retirada de uma fase: a direita a corrente quando alimentada por 3 fases e a esquerda com duas fases. Lembrando que a fase foi retirada durante o funcionamento da máquina, portanto, ela permanece em funcionamento. Observa-se que, como citado anteriormente, houve um aumento no valor da corrente, mas em um fator aceitável, garantindo integridade no funcionamento do sistema.
11
Figura 7 - Corrente de operação à três fases (direita) e a duas fases (esquerda)
Fonte: O próprio Autor
12
4. CONCLUSÃO O experimento aqui realizado, intitulado de “Operação Direta da Máquina de Indução Trifásica – MIT”, teve como objetivo analisar os princípios da Máquina de Indução Trifásica. Inicialmente percebeu-se que a MIT utilizada para os experimentos era de 50 Hz. Como essa máquina foi alimentada em um sistema com 60 Hz, sua velocidade de operação foi alterada, operando em uma velocidade maior do que a apresentada nos dados de placa da MIT. Posteriormente verificou-se o sentido de rotação da MIT. Para a partida direta, conectadas as fases A, B e C respectivamente, a MIT girou no sentido horário. Quando invertida umas das fases, seu sentido de rotação foi invertido para anti-horário. Isso se deve ao fato de, a cada mudança na posição de um par de fases da máquina, muda-se o sentido de rotação do campo e, como o rotor está sempre “seguindo” o campo girante produzido no estator, altera-
se também o sentido de rotação mecânica. Em seguida, foi analisada a corrente de partida dessa máquina. O que se observa é que a corrente de partida é muito alta. Essa corrente, geralmente, gira em torno de sete vezes a corrente nominal, conforme os dados de placa da máquina. A corrente obtida nesse experimento foi 8,853 vezes maior do que a corrente nominal. Essa elevada corrente na partida é uma grande desvantagem das MITs que, se não controladas adequadamente, podem trazer sérios riscos a máquina. Conectou-se uma carga resistiva, composta por lâmpadas, na MIT. Assim, observou-se que a MIT possui uma boa regulação de velocidade, com redução de apenas 14 rpm para a condição de à vazio até a carga máxima aplicada. Após realizados todos esses experimentos, uma das fases de alimentação da MIT foi retirada, restando apenas duas fases conectadas a máquina. O que percebeu-se foi que, no momento da partida, a máquina não conseguiu girar, emitindo um grande ruído. Isso se deve ao fato de que, quando retirada um das fases do s istema trifásico, não haverá a “criação” de campo girante, o que é necessário para que a MIT consiga partir. Entretanto, se a máquina já estiver em funcionamento e o campo girante já iniciado, é possível manter o funcionamento com apenas duas fases, resultando no aumento das correntes em cada fase, pois essas terão que compensar a perda da terceira e de um torque pulsante.
13
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] DAHER, S. Roteiro de Aulas Práticas – Disciplina de Máquinas Elétricas, 2016. [2] GURU, B. S.; HIZIROGLU, H. R. Electric Machinery and Transformers , Oxford University Press, 2001. [3] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JR, C.; KUSKO, A. Máquinas Elétricas, Mc Graw Hill do Brasil, 1975. [4] DELGADO, R. S. Estudos dos Requisitos Essenciais a Especificação de
Transformadores de Potência em Condições Normais de Operação, Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010.
14
