TLME-2.3

MÁQUINAS ELÉCTRICAS II
++ 1999 / 2000 ++
SEE
FEUP
T L M E -2.3
LEEC
Motor de Indução Trifásico
– energia de deslizamento
1 . Introdução
No motor de indução trifásico com o rotor bobinado é possível utilizar, ou controlar, a energia disponível no
circuito rotórico.
M
3
~
√
Quando o motor de indução trifásico funciona em regime permanente sinusoidal, o balanço energético é feito
através da potência, reduzida ao estator e associada a cada uma das partes da máquina, permite
representar a distribuição da potência activa pela figura,
Eléctrica
Mecânica
2
ω r ·T u = Pu
P tr = 3·I'2 ·(R2 / s )
P t = 3·U1 ·I 1 ·cos ϕ 1
Pm e c
PF e
2
P Jr = 3·I'2 ·R2
P J s = 3·I1 2 ·R1
Como qualquer outro sistema electromecânico de conversão de energia, o motor de indução trifásico, com o
rotor bobinado, tem perdas de energia:
–
perdas por efeito Joule no enrolamento do estator;
–
perdas magnéticas no núcleo de material ferromagnético;
–
perdas por efeito Joule no enrolamento do rotor, e
–
perdas mecânicas devidas ao atrito e à ventilação.
entreferro
No estudo do motor de indução
R1
R2
trifásico, efectuado por intermédio do
esquema eléctrico equivalente por
x1
x' 2
fase, verifica-se que a potência total ,
Pt = 3·U1·I1·cos ϕ1, consumida pelo U 1
(1 – s) . R 2
s
motor, destina-se a alimentar as
perdas Joule no circuito estatórico,
PJs = 3·R1·I12, e as perdas magnéticas
no ferro, PFe; restando para ser transformada em energia mecânica, durante um mesmo intervalo de tempo,
uma potência activa no entreferro, Ptr = 3·E’2·I’2·cos ϕ2 = 3·(R2/s)·I’22.
Parte desta potência é dissipada, em calor, no enrolamento rotórico, PJr = 3·R 2 ·I’2 2 , e a restante parte é
convertida, integralmente, numa potência mecânica, Pmec = 3·(R2/s)·I’22 – 3·R2·I’22 = 3·((1 – s)/s)·R2·I’22. =
= ωr·Tel. Parte desta potência mecânica alimenta as perdas de energia mecânicas da máquina, enquanto que
a parte restante fica disponível no veio da máquina, como potência útil, Pu = ωr·T
Existe, assim, uma parte da energia activa no circuito rotórico, que pode ser alterada, mediante a variação
da resistência rotórica, R2 = r’2 + Rext: é a energia de deslizamento.
O valor da energia de deslizamento pode ser controlado, o que permite alterar a velocidade de rotação da
máquina — controlo de velocidade —, ou pode ser recuperado para a rede eléctrica de alimentação —
recuperação da energia de deslizamento.
© Manuel Vaz Guedes,
1994,1998
pag. 1 / 4
3.2
Motor de Indução Trifásico — energia de deslizamento
2 . Bibliografia
M. G. Say; “Alternating Current Machines”, Pitman, 1976
M. Kostenko L. Piotrosvky; “Máquinas Eléctricas”, Vol. 2
K. Moll; “Cascades de Convertisseurs Statiques Hyposynchrones VERIVERT K™”, Revue
Brown Boveri, 74, (8), pp.
459–466, 1987
3 . Estudo Qualitativo da Variação da Energia de Deslizamento
3 . 1 Objectivos do Trabalho
Verificação experimental da variação da velocidade do motor de indução trifásico de rotor bobinado com a
resistência do circuito rotórico; introdução ao estudo da cascata de Kramer.
3 . 2 Material Necessário
– Motor de indução de rotor bobinado – Taquímetro
– Amperímetro CC
– Voltímetro CA
– Bateria
– Voltímetro CC
– Transformador de medida TI
– 2 Amperímetros CA
– Amperímetro CC
3 . 3 Montagem a Realizar
Ra
√
M
3
~
A
V
A
Rext
n
3 . 4 Modo de Proceder
–
Realizar a montagem.
–
Colocar o reóstato de arranque no ponto de resistência máxima.
☎
Chamar o docente para verificação
▲ Provocar o arranque do motor de indução trifásico.
–
Actuar no reóstato de arranque
❈● Observar o valor da corrente eléctrica absorvida por fase do motor, o valor da
tensão e da corrente eléctrica rotórica e o valor da velocidade do motor em vazio.
✍ Tomar nota dos valores lidos e das observações efectuadas
❇
SEM demoras escusadas (≡ R A P I D A M E N T E )
▲
▲
4.
Para duas posições do reóstato de arranque R a, que irá funcionar (!) como
resistência externa Rext, (Ra = (2/3)·Rmax, e Ra = (1/2)·Rmax)
➚
Elevar o valor da tensão até à tensão nominal da rede eléctrica.
❈● Ler os valores da corrente eléctrica absorvida por fase do motor, o valor da
tensão e da corrente eléctrica rotórica e o valor da velocidade do motor
✍ Tomar nota dos valores lidos
Desligar o motor eléctrico
R
Pelo método do voltímetro–amperímetro determinar a resistência eléctrica do
reóstato.
Interpretação dos Resultados
• Apresentar um quadro com os valor lidos para a resistência rotórica, perdas Joule na resistência
externa, velocidade do motor.
• Justificar as situações de funcionamento do motor de indução trifásico observadas.
5 . Temas de Desenvolvimento
© Manuel Vaz Guedes,
1994, 1998
3.3
Motor de Indução Trifásico — energia de deslizamento
A
controlo de velocidade
A equação do binário electromagnético e um motor de indução trifásico é Tel = I’22·(R2/s). Quando se
desprezam as perdas mecânicas da máquina, e o binário resistente, imposto pela carga mecânica, é
constante Tr = TK, resulta que a velocidade de rotação do motor varia na razão inversa da respectiva
resistência rotórica: s = (1/TK)·I’22·R2 (≡ o deslizamento, s = (ns – nr)/ns, é proporcional à resistência do
circuito rotórico),
R2 ➶,
s ➶ ⇒ nr ➷
T
s
Rex
4
t
T
Rext1 = 0 Ω
n
0
R
ext2
= 1,5 Ω
R
ext3
= 3 Ω
0 n
s
0.2
0.4
0.6
0.8
1
s
o que se pode traduzir, para diferentes valores do binário electromagnético, nas curvas características
representadas no gráfico.
O método de controlo de velocidade do motor de indução trifásico com rotor bobinado por variação da
resistência do circuito rotórico com um reóstato (líquido), que já teve o seu tempo (1930 a 1950) e que hoje está
obsoleto, apresenta as seguintes desvantagens:
–
aumentam as perdas por efeito Joule no circuito rotórico, o que faz diminuir o rendimento;
–
o calor produzido no reóstato externo é considerável, o que obriga a uma construção cuidada
e a métodos de arrefecimento especiais;
–
a velocidade de rotação do motor só pode variar para valores inferiores à velocidade de
sincronismo; hiposincronismo, e
–
a curva característica mecânica T(n) global do motor de indução trifásico deixa de ser
análoga à de um motor de corrente contínua com excitação derivação, e aproxima-se do
tipo de característica de um motor série: a velocidade diminui com o aumento do binário.
• Apresentar uma análise crítica do controlo de velocidade do motor de indução trifásico com o rotor
bobinado por alteração do número de pares de polos e por variação da resistência do circuito rotórico.
• Apresentar o anteprojecto de um circuito
electrónico de potência, capaz de provocar a
M
R
variação da resistência do circuito rotórico;
Rext = α·R.
√
B
recuperação de energia de deslizamento
Num passado já distante (1950 a 1960) teve alguma utilização a cascata de Kramer de máquinas rotativas.
© Manuel Vaz Guedes,
1994, 1998
3.4
Motor de Indução Trifásico — energia de deslizamento
R
S
T
Motor de Indução
R S T
√
Pt
M
Pd
Conversor
Rotativo
Pm e c
Máquina de
Corrente Contínua
Máquina de
Indução
Com este conjunto de máquinas eléctricas (4), era possível efectuar o controlo da velocidade do motor de
indução trifásico com o rotor bobinado, ou fazer a recuperação da energia de deslizamento. Para isso, as
diversas máquinas tinham diferentes tipos de funcionamento, aproveitando-se sempre do carácter
reversível do seu funcionamento. Neste sistema de máquina eléctricas rotativas, o conversor rotativo,
normalmente uma comutatriz, devido ao seu carácter de máquina síncrona podia compensar o factor de
potência da instalação.
Velocidade
Regime
Potência de
deslizamento
Conversor Rotativo
Máquina de
Corrente Contínua
Máquina de
Indução
nr < ns
hiposincronismo
Pd > 0
Corrente Contínua k
k Corrente A lternada
Motor
Gerador
nr > ns
hipersincronismo
Pd < 0
Corrente A lternada k
k Corrente Contínua
Gerador
Motor
Num sistema em que é possível recuperar a energia de deslizamento, presente no circuito rotórico, existem
várias possibilidades de funcionamento:
a)
accionamento hiposíncrono — a potencial total Pt, a potência mecânica,
Pmec = (1-s)·Ptrf, e a potência de deslizamento Pd são positivas, (0 < s < 1);
b)
accionamento hipersíncrono — enquanto que a potencial total Pt, a potência
mecânica, Pmec = (1-s)·Ptrf, são positivas, a potência de deslizamento Pd é
negativa (é fornecida à máquina), (s < 0);
c)
frenagem regenerativa —
d)
gerador de indução — enquanto que a potencia total Pt, a potência mecânica,
a potencial total Pt, a potência mecânica,
Pmec = (1-s)·Ptrf, e a potência de deslizamento Pd são negativas, (0 < s < 1); a
máquina funciona abaixo da velocidade síncrona;
Pmec = (1-s)·Ptrf, são negativas, a potência de deslizamento Pd é positiva (é
retirada da máquina), (s < 0); a máquina é accionada (por uma máquina primária) a
uma velocidade superior à velocidade de sincronismo, e a energia de
deslizamento é devolvida à rede eléctrica através de um conversor (electrónico)
{recuperação de energia}.
© Manuel Vaz Guedes,
1994, 1998
3.5
Motor de Indução Trifásico — energia de deslizamento
R
S
T
R S T
Motor de Indução
Pt
M
3
~
Rf
Lf
Pd
√
Transformador
Pm e c
Rectificador
Ondulador
• Fazer uma análise crítica dos problemas causados pelas formas de onda não sinusoidais introduzidas
pelo funcionamento do conversor electrónico no circuito rotórico do motor de indução trifásico de rotor
bobinado.
• Apresentar um ante-projecto de uma instalação de aproveitamento de energia alternativa das ondas,
baseada na utilização, como conversor de energia, de uma cascata hipersíncrona estática.
– TLME.-2.3 –
© Manuel Vaz Guedes,
1994, 1998