Overview
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
Os objetivos deste experimento são encontrar os parâmetros de circuito equivalente de um motor de indução trifásica usando o circuito equivalente por fase e testes semelhantes aos utilizados na caracterização do transformador. Na engenharia elétrica, um circuito equivalente (ou circuito teórico) pode ser determinado para um determinado sistema. O circuito equivalente retém todas as características do sistema original, e é usado como modelo para simplificar cálculos. Outro objetivo é operar o motor na região linear de velocidade do torque.
Principles
O motor de indução trifásica é alimentado por tensões trifásicas ou correntes que induzem três campos magnéticos. Esses campos se somam a um campo magnético cumulativo, que gira no espaço em constante amplitude e é chamado de campo magnético do estator. O campo magnético induz a corrente em barras de rotor de metal ou bobinas, que por sua vez induzem seu próprio campo magnético, denominado campo magnético rotor. O rotor fica pendurado dentro do estator, e o campo magnético do rotor tenta travar no campo magnético do estator rotativo, fazendo com que o rotor gire. O rotor é tipicamente feito de barras de rotor amarradas com anéis finais, formando o que é comumente conhecido como uma "gaiola de esquilo".
O circuito equivalente por fase modela a resistência ao enrolamento do lado do estator e do rotor R1 e R2, respectivamente,indutância de vazamento devido ao fluxo vazado entre o rotor e o estator(L1 é a indutância de vazamento do estator, e L2 é a indutância de vazamento do rotor), indutância magnetizante mútua(Lm ou reagente Xm),e perdas de núcleo na perda do núcleo equivalente RC . Estes são semelhantes ao modelo de circuito equivalente do transformador, mas incluem o efeito do campo magnético do rotor ficar atrás do estator, que é chamado de deslizamento.
Para encontrar o modelo de circuito equivalente do motor, devem ser realizados vários testes (sem carga, rotor bloqueado, DC e testes de carga). Esses testes exigem o conhecimento das classificações do motor. Para a tensão nominal de 208 V a 60 Hz, deve-se notar a seguinte da placa de identificação: potência nominal (hp e W, onde 1 hp = 746 W), corrente nominal (A) e velocidade nominal (RPM e rad/s). A partir dessas classificações, o torque nominal (N·m) pode ser encontrado dividindo a potência nominal em Watts sobre a velocidade nominal em rad/s (1 RPM = 2π/60 rad/s), o que não é mostrado na placa de identificação.
Para carregar o eixo da máquina de indução, um gerador DC (configuração do dinamômetro) é mecanicamente acoplado ao eixo. O motor de indução atua como o principal motor do gerador. À medida que a carga elétrica aumenta no gerador, a energia mecânica aumenta para dentro do gerador e para fora do motor de indução, aumentando assim a carga no eixo do motor de indução.
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Procedure
1. Teste DC
Note que uma máquina de indução de gaiola de esquilo tem apenas terminais de estator acessíveis.
- Ligue a fonte de alimentação DC de baixa potência e limite a corrente para 1,8 A.
- Desligue o suprimento.
- Conecte os terminais de abastecimento em dois terminais de motores de indução (rotulados A, B e C).
- Ligue a alimentação e regissou a tensão de saída e a corrente.
- Repita para as duas outras combinações de fase.
- Observe que a resistência medida é para duas fases em série, portanto, a resistência por fase é metade da medição.
2. Teste sem carga
Teste a máquina de indução sem carga para encontrar os parâmetros de ramificação magnetizador por fase Xm e RC. Para este teste, certifique-se de que o dinamômetro de carga tenha todos os seus terminais desconectados, onde não está gerando energia e sem suporte a nenhuma carga.
- Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
- Verifique se o VARIAC está em 0% e, em seguida, conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração (Fig. 1).
- Verifique duas vezes se as conexões do circuito estão como mostrado na Fig. 1 e, em seguida, ligue a fonte trifásica.
- Aumente rapidamente a saída VARIAC até que cada um dos medidores de energia digitais leia em torno de 208 V.
- Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
- Meça a velocidade usando a luz estroboscópica (sintonize a luz estroboscópica a uma velocidade razoável) e rotule a medida como ωo.
- Registo a leitura do torque em N·m ou lb·ft, e rotule a medição como To apenas no caso de o transdutor de torque ou aparelho de medição de torque não estiver bem calibrado. Este é o torque sem carga.
- Defina o VARIAC de volta para 0% e desligue a fonte trifásica. Deixe o resto do circuito intacto.
Figura 1: Configuração elétrica para teste sem carga. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Teste de rotor bloqueado
Teste a máquina de indução com um rotor bloqueado de forma semelhante ao teste de curto-circuito de um transformador. Use este teste para encontrar as resistências da série por fase e induções de vazamento. Para este teste, certifique-se de que o dinamômetro de carga tenha todos os seus terminais desconectados.
- Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Bloqueie o rotor no lado do dinamômetro usando um grampo mecânico ou uma configuração de zero torque, se o dinamômetro for controlado digitalmente.
- Note que a configuração ainda é semelhante à do Fig. 1, exceto com um rotor bloqueado.
- Verifique se as conexões do circuito estão como mostrado na Fig. 2.
- Ligue a fonte trifásica e o interruptor da máquina de indução.
- Aumente lentamente e cuidadosamente o VARIAC até que a corrente nominal seja alcançada em um ou ambos os medidores de energia digitais.
- Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
- Defina o VARIAC de volta para 0% e desligue a fonte trifásica. Deixe o resto do circuito intacto.
Figura 2: Configuração para teste de carga.
4. Teste de carga
Use este teste para traçar a característica linear de torque da máquina de indução. Para este teste, use o dinamômetro com um campo de desvio como gerador (mais sobre esta condição de operação é dado mais tarde no vídeo das máquinas DC, mas a armadura é a porta de saída do gerador).
- Certifique-se de que o interruptor da fonte trifásica e da máquina de indução estão desligados.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Remova o grampo de bloqueio do eixo do rotor.
- Conecte o circuito (Fig. 2). Use RL=300Ω mas mantenha SD fora.
- Não use o campo da série.
- Verifique o circuito e ligue a fonte trifásica e o interruptor da máquina de indução.
- Aumente rapidamente a saída VARIAC até que cada um dos medidores de energia digitais leia em torno de 208 V.
- Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
- Meça a velocidade e rotule-a como ω1. Para medir a velocidade, ajuste o botão de frequência "Grossarse" na luz estroboscópica até que o eixo pareça quase estacionário e, em seguida, ajuste a configuração da frequência usando o botão "Fino".
- Grave a leitura de torque e rotule-a como T1.
- Observe que este ponto de operação (ω1, T1) não é o mesmo que nenhuma carga, pois o enrolamento do campo também está agindo como uma carga em paralelo com a armadura. À medida que o SD é virado mais tarde e o RL é diminuído, a carga é aumentada à medida que a corrente de carga aumenta à medida que a RL diminui.
- Ligue a SD. Meça a velocidade e rotule-a como ω2.
- Grave a leitura do torque e rotule-a como T2.
- Desligue o SD. Mude RL para 200 Ω, depois ligue OD.
- Meça a velocidade e rotule-a como ω3.
- Registo a leitura de torque e rotule-a como T3.
- Ligue a SD. Mude RL para 100 Ω. Ligue a SD.
- Meça a velocidade e rotule-a como ω4.
- Registo a leitura de torque e rotule-a como T4.
- Defina o VARIAC para 0%, desligue a fonte trifásica e desmonte o circuito.
Ac Induction Motors são os cavalos de trabalho da indústria moderna, pois são simples, robustos e confiáveis. Um motor de indução tem apenas duas partes principais. A primeira é a parte estacionária chamada estator, que consiste em bobinas estacionárias ao redor de uma cavidade. Suspenso na cavidade está o rotor, que é um par de anéis finais que tampam um arranjo cilíndrico de barras. Isso é muitas vezes chamado de gaiola de esquilo. Os parâmetros elétricos desses dois componentes fornecem informações sobre a eficiência do motor e a relação entre torque e velocidade. Isso é essencial para determinar o melhor tamanho e tipo do motor para uma aplicação. Este vídeo introduzirá o básico da operação do motor de indução e demonstrará como determinar um modelo de circuito equivalente para um motor de indução trifásica.
Um motor de indução CA trifásico usa energia trifásica a cada fase conectada ao seu próprio conjunto separado de bobinas de estator. As bobinas são dispostas em um padrão que gera um campo magnético para cada fase da energia fornecida. O campo magnético líquido resultante, chamado de campo magnético do estator, gira com velocidade angular constante. O fluxo magnético rotativo induz a corrente no rotor, semelhante à forma como um transformador transfere energia da bobina primária para a secundária. A corrente através das barras da gaiola esquilo, por sua vez, cria seu próprio campo magnético, chamado de campo magnético do rotor induzido. A interação entre esses dois campos produz uma força no rotor, o que faz com que siga o campo magnético do estator. Como uma barra de ferro seguindo os ímãs ao redor dele. Se o rotor segue exatamente o campo magnético, como esta barra, então o motor é síncrona. No entanto, em um motor de indução, o rotor fica atrás do campo magnético do estator. Essa defasagem, chamada deslizamento, faz com que os motores de indução sejam assíncronos. Assim, o motor de indução sempre girará mais lentamente do que a velocidade síncroca. O torque aumenta com deslizamento decrescente, ou à medida que a velocidade do motor diminui de síncronia até um certo ponto chamado de torque de quebra. Com a adição de uma carga, a velocidade de rotação diminui à medida que o deslizamento aumenta, resultando em diminuição do torque. Os seguintes experimentos mostrarão como medir vários parâmetros elétricos do motor de indução, a fim de descrever o motor usando um modelo de circuito equivalente.
Cada um dos testes a seguir requer conhecimento das classificações do rotor, que são impressas na placa de nome do motor. Para a tensão nominal de 208 volts a 60 hertz, registo da potência nominal tanto em potência quanto em watts. Também registou a corrente nominal em amplificadores e a velocidade nominal em ambas as revoluções por minuto e radianos por segundo. O torque nominal pode ser calculado e é igual à potência nominal dividida pela velocidade nominal. Aqui o eixo do motor de indução dirige um gerador DC. A carga elétrica no gerador DC está diretamente relacionada com a energia mecânica nele. E, por sua vez, atua como a carga mecânica no motor de indução. Primeiro, defina o limite de corrente de alimentação DC para 1,8 amperes e, em seguida, desligue-o. Este teste dc mede a resistência apenas do sinuoso estator, uma vez que apenas os terminais do estator são acessíveis para um motor de indução de gaiola de esquilo. Conecte a saída de alimentação nos terminais A e B. Ligue a fonte de alimentação e regise sua tensão de saída e corrente. Repita este procedimento para as outras combinações de duas fases B e C, e C e A. Para cada uma das combinações de fase, calcule a resistência dividindo a tensão de saída por corrente de saída. O resultado se para duas fases em série, de modo que a resistência por fase, R1, é metade desse valor. A resistência sinuosa do estator depende da classificação de potência do motor, e é de seis ohms para este motor.
Teste o motor de indução sem carga para obter as medidas necessárias para cálculos adicionais. Primeiro, desconecte todos os terminais do gerador DC, ou dinamômetro, de modo que não gera energia e não fornece nenhuma carga mecânica para o motor de indução. Com a fonte de energia trifásica desligada, monte o aparelho. Defina a saída variada para 0% e conecte-a à tomada trifásica. Ligue a potência trifásica e aumente rapidamente a saída variada até que cada um dos medidores de energia digitais leia cerca de 208 volts. Regissão de potência, tensão e corrente a partir de ambos os metros. A soma da potência medida pelos dois medidores de energia digitais é a potência consumida pelas três fases que atuam juntas. 1/3 disso é o poder em uma fase. Registo o torque do motor e designe-o t-zero, o torque sem carga. Se o aparelho de medição de torque não estiver bem calibrado, o t-zero pode não ser necessariamente igual a zero. Em seguida, use uma luz estroboscópica para medir a velocidade de rotação do motor sem carga, que está perto de sua velocidade síncrona de 1.800 RPM. Ajuste o curso e encontre botões de frequência até que o eixo fique parado. A velocidade do motor é tipicamente entre a velocidade nominal na placa de nome e a velocidade síncronia. Converta a frequência de luz estroboscópica dos RPMs para a velocidade de rotação angular sem carga, ômega zero. Defina a variac de volta para 0% de saída e, em seguida, desligue a potência trifásica. Deixe o resto do aparelho intacto.
O teste do rotor bloqueado mede os parâmetros elétricos quando o motor está fixo e incapaz de girar. Neste estado, ocorre a maior diferença de movimento entre o campo do rotor e do estator. Para este teste, utilize a configuração do teste sem carga e desconecte todos os terminais do gerador DC ou dinamômetro. Com a potência trifásica desligada e a variação a 0% de saída, bloqueie o rotor no lado do motor DC com o grampo mecânico. Exceto pelo rotor bloqueado, o aparelho é o mesmo do teste sem carga. Ligue a potência trifásica e o motor de indução. Aumente lentamente a saída variada para a corrente nominal nos medidores de energia digitais. Regisso de potência, tensão e corrente de ambos os metros. Para terminar, defina a variação de volta para 0%, em seguida, desligue a potência trifásica.
Efetivamente, o enrolamento do estator executa a mesma função da bobina primária de um transformador, e o rotor é equivalente ao enrolamento secundário. O motor pode, portanto, ser modelado usando um circuito equivalente semelhante ao de um transformador. No entanto, o circuito é simplificado para remover a porção ideal do transformador e refere-se aos componentes do rotor como um reflexo do estator. O circuito equivalente por fase inclui a resistência ao enrolamento do estator, R1, calculada a partir do teste DC. O estator também apresenta oposição às mudanças na corrente e tensão chamada de reação X1. Os parâmetros do rotor são refletidos a partir do estator, incluindo a resistência refletida, R2 prime e rotor refletido reação, X2 prime. A reação magnetizante mútua, o parâmetro XM é equivalente ao fluxo magnético na abertura de ar entre o rotor e o estator. Finalmente, uma perda de energia ocorre entre o estator e o rotor, e é modelada como a resistência equivalente à perda do núcleo, RC. Todos esses valores podem ser calculados a partir dos testes demonstrados, e estão detalhados no protocolo de testes.
Os motores de indução AC são amplamente utilizados em uma variedade de aplicações, devido à sua simplicidade, robustez e confiabilidade. Um motor de indução é frequentemente selecionado com base em sua velocidade de torque linear sob uma carga mecânica em mudança. O teste de carga traça a característica da velocidade do torque linear à medida que a carga mecânica muda. Para este teste, um gerador DC, ou dinamômetro, é conectado ao motor de indução de modo que fornece uma carga controlada no rotor. O aparelho é montado com uma resistência de carga, R-L, de 300, 200 ou 100 ohms. As medidas de potência, tensão e corrente são registradas a partir dos medidores conectados. Em seguida, a velocidade de leitura e rotação do torque são medidas com e sem a resistência à carga. Um enredo das características de velocidade de torque do motor de indução será como essas curvas para as quatro classes de motores NEMA. Um microscópio eletrônico requer uma câmara evacuada para conter a amostra e usa uma bomba de vácuo que pode ter um pequeno motor de indução. O vácuo na câmara permite a transmissão de elétrons para a amostra, e da amostra para o aparelho de imagem. Finalmente, os tornos e outros equipamentos de oficina mecânica podem usar motores de indução trifásicos mais potentes. Devido à sua simplicidade e falta de comutação mecânica, os motores de indução podem suportar o uso pesado com menor probabilidade de falha. Esta robustez é uma clara vantagem ao fabricar peças metálicas.
Você acabou de assistir a introdução de Jove aos motores de indução ac. Agora você deve entender o princípio básico da operação e como realizar os testes para determinar seus parâmetros de circuito equivalente.
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Results
Um erro comum ao encontrar os parâmetros de circuito equivalente das máquinas de indução é usar a potência medida trifásica nos cálculos do circuito equivalente por fase, enquanto um terço da potência deve ser usada: três fases consomem a potência medida e, portanto, um terço da potência está em uma fase.
Os cálculos dos parâmetros de circuito equivalente são semelhantes aos dos transformadores, mas é comum dividir X1 e X2' pelo quadro NEMA da máquina. Por exemplo, se o motor é de NEMA quadro A ou D, então X1 e X2' são considerados iguais, enquanto se o motor é de NEMA quadro B, então X 1 e X2' são divididos como 40% e 60% de X eq, respectivamente, e se o motor é de quadro NEMA C, então X1 e X2' são divididos como 30% e 70% de Xeq, respectivamente. Espera-se que os X1 e X2' sejam 1-10% de X m, R1 e R2' estão na ordem de mΩ para vários Ω dependendo da classificação de potência do motor, e R C estaria na ordem de dezenas a centenas de Ω, pois são várias ordens de magnitude maior que R1 e R2'.
A região linear da curva de velocidade de torque do motor de indução é encontrada usando o teste de carga e pode ser extrapolada da sem carga para condições completas ou de carga de taxa. Uma curva típica de velocidade de torque é mostrada em Fig. 3 para vários quadros NEMA e a região linear é a região mais direita perto da velocidade de 90-100%.
Figura 3: Curvas típicas de velocidade de torque para vários quadros NEMA.
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Applications and Summary
Máquinas de indução trifásica, especialmente motores de indução, são os cavalos de trabalho da indústria moderna. Caracterizar adequadamente um motor de indução fornece aos engenheiros e técnicos informações sobre a eficiência do motor e características de velocidade de torque. Estes são essenciais para determinar qual tamanho do motor e quadro melhor se encaixa em uma aplicação. Uma vez que um motor é caracterizado e a curva de velocidade de torque é conhecida a partir de parâmetros de circuito equivalente usando os testes descritos, diferentes quadros NEMA têm diferentes formas de curva. Por exemplo, uma aplicação de elevador requer torque de alta partida; portanto, quadros, como quadro NEMA D, são mais adequados que A ou B. Ao lidar com as partes integrais do motor de indução de sistemas maiores que consomem quantidades consideráveis de energia (por exemplo,refrigeradores), conhecer os parâmetros de circuito equivalente de um motor pode fornecer boas estimativas da eficiência do motor e sua contribuição para o consumo de energia nesse sistema maior.
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