Caracterização do motor de indução ac

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.

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 R_{2, 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(L_m ou reagente X_m),e perdas de núcleo na perda do núcleo equivalente R_C . 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.

1. Teste DC

Note que uma máquina de indução de gaiola de esquilo tem apenas terminais de estator acessíveis.

1. Ligue a fonte de alimentação DC de baixa potência e limite a corrente para 1,8 A.
2. Desligue o suprimento.
3. Conecte os terminais de abastecimento em dois terminais de motores de indução (rotulados A, B e C).
4. Ligue a alimentação e regissou a tensão de saída e a corrente.
5. Repita para as duas outras combinações de fase.
   1. 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 X_m e R_C. 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.

1. Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
2. Verifique se o VARIAC está em 0% e, em seguida, conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração (Fig. 1).
3. Verifique duas vezes se as conexões do circuito estão como mostrado na Fig. 1 e, em seguida, ligue a fonte trifásica.
4. Aumente rapidamente a saída VARIAC até que cada um dos medidores de energia digitais leia em torno de 208 V.
5. Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
6. Meça a velocidade usando a luz estroboscópica (sintonize a luz estroboscópica a uma velocidade razoável) e rotule a medida como ω_o.
7. Registo a leitura do torque em N·m ou lb·ft, e rotule a medição como T_o apenas no caso de o transdutor de torque ou aparelho de medição de torque não estiver bem calibrado. Este é o torque sem carga.
8. 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.

1. Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
3. Bloqueie o rotor no lado do dinamômetro usando um grampo mecânico ou uma configuração de zero torque, se o dinamômetro for controlado digitalmente.
4. Note que a configuração ainda é semelhante à do Fig. 1, exceto com um rotor bloqueado.
5. Verifique se as conexões do circuito estão como mostrado na Fig. 2.
6. Ligue a fonte trifásica e o interruptor da máquina de indução.
7. Aumente lentamente e cuidadosamente o VARIAC até que a corrente nominal seja alcançada em um ou ambos os medidores de energia digitais.
8. Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
9. 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).

1. Certifique-se de que o interruptor da fonte trifásica e da máquina de indução estão desligados.
2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
3. Remova o grampo de bloqueio do eixo do rotor.
4. Conecte o circuito (Fig. 2). Use R_L=300Ω mas mantenha S_D fora.
5. Não use o campo da série.
6. Verifique o circuito e ligue a fonte trifásica e o interruptor da máquina de indução.
7. Aumente rapidamente a saída VARIAC até que cada um dos medidores de energia digitais leia em torno de 208 V.
8. Regisso de energia, tensão e corrente de leituras de ambos os metros.
9. 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".
10. Grave a leitura de torque e rotule-a como T₁.
11. 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 S_D é virado mais tarde e o R_L é diminuído, a carga é aumentada à medida que a corrente de carga aumenta à medida que a R_L diminui.
12. Ligue a S_D. Meça a velocidade e rotule-a como ω₂.
13. Grave a leitura do torque e rotule-a como T₂.
14. Desligue o S_D. Mude R_L para 200 Ω, depois ligue O_D.
15. Meça a velocidade e rotule-a como ω₃.
16. Registo a leitura de torque e rotule-a como T₃.
17. Ligue a S_D. Mude R_L para 100 Ω. Ligue a S_D.
18. Meça a velocidade e rotule-a como ω₄.
19. Registo a leitura de torque e rotule-a como T₄.
20. Defina o VARIAC para 0%, desligue a fonte trifásica e desmonte o circuito.

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 X_eq, 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. 

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.