Sístemas e Instalações Eléctricas de Navios Modelo da máquina assíncrona 2011/2012.
Transcript of Sístemas e Instalações Eléctricas de Navios Modelo da máquina assíncrona 2011/2012.
Sístemas e Instalações Eléctricas de Navios
Modelo da máquina assíncrona
2011/2012
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 2
Bibliografia
A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley e Stephen D. Umans, “Máquinas Eléctricas”, 6ª Edição, Editora Bookman Companhia Editora, 2006.
Charles K. Alexander e Martthew N. O Sadiku, “Fundamentos de Circuitos Eléctricos”, Editora McGraw-Hil, 2008, ISBN: 9788586804977
José Dores Costa, “Apontamentos de Sistemas Eléctricos e Electrónicos de Navios”, ENIDH/DEM, 2012
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 3
Máquina Assíncrona
O campo magnético no rotor da máquina é induzido pelo campo magnético (girante) criado pelas correntes do estator
A máquina designa-se por máquina eléctrica de indução ou máquina assíncrona, uma vez que o rotor não roda em sincronismo com o campo girante das correntes do estator
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 4
Máquina Assíncrona
O princípio de funcionamento das máquinas assíncronas, baseia-se na criação de um campo girante no entreferro
O campo girante de amplitude constante pode ser criado por um sistema de correntes trifásicas simétricas que percorram três bobinas iguais cujos eixos formam ângulos de 120º
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 5
Máquina Assíncrona
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 6
Máquina Assíncrona
A tensão trifásica fornece o campo girante
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 7
Máquina Assíncrona
A corrente sinusoidal em cada uma das bobinas produz um campo magnético no eixo de rotação. Os campos magnéticos são representados por vetores
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 8
Máquina Assíncrona
A soma dos vetores do campo magnético das bobinas do estator produz um único vetor girante resultante do campo magnético
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 9
Máquina Assíncrona
Num motor assíncrono, a velocidade de rotação do campo girante criado pelas correntes do estator é função da frequência das correntes e do número de polos do estator (característica construtiva da máquina e que depende do modo como este foi bobinado)
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 10
Máquina Assíncrona
A frequência, f, o número de pares de pólos, p, e a velocidade síncrona, ns, em rotações por segundo (rps) estão relacionadas pela seguintes equação
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 11
Máquina Assíncrona
Com o rotor parado, a frequência das correntes nos enrolamentos do rotor é igual à frequência das correntes no estator
À medida que o rotor acelera, a frequência das correntes do rotor diminui e quando atinge a velocidade nominal, é de apenas uma pequena fracção da frequência do estator
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 12
Máquina Assíncrona
O rotor de um motor assíncrono roda com uma velocidade inferior à velocidade de sincronismo, ns
A diferença entre estas duas velocida-des designa-se por escorregamento, s
O escorregamento é dado em percentagem da velocidade de sincronismo
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 13
Máquina Assíncrona
Na equação do escorregamento, nm é a velocidade de rotação do rotor
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 14
Máquina Assíncrona
Para que a máquina funcione como motor, a velocidade de rotação do veio é inferior à velocidade de sincronismo e s>0
Para que a máquina funcione como gerador é necessário aumentar a velocidade de rotação do rotor acima da velocidade de sincronismo, s<0
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 15
Máquina Assíncrona
Relação entre o binário e o escorrega-mento para um motor de indução típico
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 16
Máquina Assíncrona
O circuito equivalente da máquina de indução é em tudo semelhante ao de um transformador
A troca de energia entre o estator e o rotor de uma máquina assíncrona realiza-se através do entreferro, sendo que o campo magnético girante criado no estator induz um campo girante no rotor que se opõe ao primeiro
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 17
Máquina Assíncrona
Considere-se uma máquina assíncrona trifásica com os enrolamentos do rotor ligados em estrela a funcionar em regime estacionário
Assim, uma das fases do estator, alimentada pela tensão simples V1, pode ser representada através do seguinte circuito monofásico
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 18
Máquina Assíncrona
Circuito equivalente de uma fase do estator
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 19
Máquina Assíncrona
R1 representa a resistência efectiva do enrolamento do estator
X1 representa a reactância de dispersão desse enrolamento
Xm a reactância de magnetização associada ao campo girante
RFE é a resistência equivalente das perdas no ferro
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 20
Máquina Assíncrona
Considere uma máquina em que o estator possui o mesmo número de polos e fases do rotor
O circuito equivalente de um dos circuitos do rotor pode ser acrescentado ao circuito equivalente do estator, sendo alimentado pela tensão V2, conforme representado na figura seguinte
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 21
Máquina Assíncrona
Circuito equivalente de uma fase da máquina assíncrona
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 22
Máquina Assíncrona
Circuito equivalente de uma fase da máquina assíncrona
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 23
Máquina Assíncrona
Na condição de funcionamento como motor, parte da potência de entrada, Pin, é dissipada por efeito de Joule no estator, sendo a restante transmitida através do entreferro ao rotor
A potência mecânica transmitida ao veio da máquina é dada pela diferença entre a potência transmitida através do entreferro, Pag e a potência dissipada nos enrolamentos do rotor, Pr
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 24
Máquina Assíncrona
A potência mecânica, Pm, e a potência transmitida através do entreferro, Pag, são dadas por:
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 25
Máquina Assíncrona
A resistência
representa a carga mecânica da máquina, por fase, em função do escorregamento (s)
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 26
Máquina Assíncrona
A potência mecânica total produzida pela máquina, Pm, é igual à potência dissipada nessa resistência:
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 27
Máquina Assíncrona
Se s>0, resulta Pm>0 e a máquina funciona como motor
se s<0, obtém-se Pm<0 e a máquina funciona como gerador
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 28
Máquina Assíncrona
No caso do motor, a potência útil no veio obtém-se subtraindo a Pm à potência das perdas de atrito e de ventilação, Pv
O rendimento da máquina assíncrona funcionando como motor é dado pela razão entre a potência útil (Pu) produzida e a potência consumida
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 29
Máquina Assíncrona
Sabendo-se a potência útil e a velocidade angular de rotação do rotor, wm, pode determinar-se o binário útil produzido pela máquina
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 30
Máquina Assíncrona
Os parâmetros do circuito equivalente de uma fase da máquina assíncrona podem ser determinados por via experimental através de dois ensaios:
Ensaio em vazio Ensaio com o rotor bloqueado
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 31
Máquina Assíncrona
No ensaio em vazio, a máquina é alimentada à tensão e frequência nominais e roda livremente sem carga
Nesta situação, a corrente no estator é pequena, as perdas no cobre (em R1) são desprezáveis quando comparadas com as perdas no ferro (R1<<RFE)
Com o motor em vazio, Pin equilibra praticamente as perdas no ferro (em RFE)
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 32
Máquina Assíncrona
Medindo a potência activa, Pvz, a resistência equivalente às perdas no ferro é calculada através de
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 33
Máquina Assíncrona
Como a reactância de dispersão, X1, é desprezável face a Xm, conhecendo-se o factor de potência, cos φ, pode determinar-se a potência reactiva em vazio, Qvz
A reactância de magnetização Xm, é dada por
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 34
Máquina Assíncrona
No ensaio com o rotor bloqueado, s=1, o circuito fica em curto-circuito e, sendo a potência de carga nula, a potência activa na entrada, Pcc, equilibra principalmente as perdas no cobre dos dois enrolamentos
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 35
Máquina Assíncrona
Com o rotor bloqueado, o motor é alimentado com uma tensão suficientemente reduzida para se obter a corrente nominal da máquina (tensão de curto-circuito)
Como a tensão de curto-circuito é muito inferior à tensão nominal, as intensidades das correntes de magnetização e do ferro são igualmen-te reduzidas
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 36
Máquina Assíncrona
Medindo a corrente que percorre o estator, a resistência total das perdas no cobre, Rcc, calcula-se através de
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 37
Máquina Assíncrona
Conhecida a resistência do enrolamen-to do estator, R1, obtém-se a resistência equivalente do enrolamento do rotor, R2
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 38
Máquina Assíncrona
Conhecido o factor de potência neste ensaio, procede-se ao cálculo da potência reactiva, Qcc, e seguidamente da reactância de dispersão total, Xcc
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 39
Máquina Assíncrona
Tal como a resistência das perdas no cobre, a reactância de dispersão resulta da soma da reactância da dispersão do estator e do rotor
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 40
Máquina Assíncrona
Para se determinarem os valores das reactâncias de dispersão recorre-se, em geral, a distribuições empíricas
No trabalho prático a realizar no laboratório, considera-se que X1=X2=Xcc/2
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 41
Máquina Assíncrona
Representando a impedância do circuito equivalente por fase, Ztot, a potência de entrada, obtida através da análise do circuito equivalente, é dada por
© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 42
Máquina Assíncrona
A corrente de entrada I1, é dada por
O factor de potência, é dado por