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Laboratórios de Sistemas Eléctricos e

Electromecânicos

Mestrado em Engenharia Mecânica

Mestrado em Engenharia Aeroespacial

Licenciatura de Engenharia Naval

2010/2011

DEEC – Área Científica de Energia

Prof. Gil Marques

Profª Maria José Resende

Sistemas Eléctricos e Electromecânicos - Guias de Laboratório – 2010/2011

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Índice TRABALHO Nº1 - Leis de Kirchhoff, Potências e Diagramas Temporais de Tensão e Corrente ..................................4

Objectivo dos ensaios ...........................................................................................................................................................4 Placa de Ligações Base.........................................................................................................................................................4 Leis de Kirchoff ....................................................................................................................................................................5

Lista de Material e Esquema de Ligações.........................................................................................................................5 Condução do ensaio ..........................................................................................................................................................5 Verificação das leis de Kirchhoff (lei dos nós e lei das malhas).......................................................................................6 Verificação do Princípio da conservação de energia ........................................................................................................6

Análise de Diagramas Temporais de Tensão e de Corrente..................................................................................................7 Esquema de ligações.........................................................................................................................................................7 Lista de material ...............................................................................................................................................................7

Condução do Trabalho..........................................................................................................................................................9 TRABALHO Nº2 – Sistemas Trifásicos..............................................................................................................................12

Objectivos dos ensaios........................................................................................................................................................12 Equipamento a utilizar ........................................................................................................................................................12 Instrumentos de medida. .....................................................................................................................................................13 Parte I – Carga ligada em estrela com neutro .....................................................................................................................14 Parte II – Carga ligada em estrela sem neutro ....................................................................................................................15 Parte III – Carga ligada em triângulo..................................................................................................................................15 Parte III – Carga assimétrica...............................................................................................................................................16

III-1. Regime monofásico com corrente pelo neutro ......................................................................................................16 III-2. Regime bifásico com corrente pelo neutro ............................................................................................................16 III-3. Regime monofásico sem corrente pelo neutro (sem condutor de neutro)..............................................................17

Fim dos ensaios...................................................................................................................................................................17 TRABALHO Nº3 – Circuito Magnético .............................................................................................................................18

1. Objectivo dos ensaios .....................................................................................................................................................18 2. Equipamento a utilizar ....................................................................................................................................................18 Parte I – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão contínua...............................................................................20

Ligações (Figura 6).........................................................................................................................................................20 Condução do Ensaio .......................................................................................................................................................20

Parte II – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada. ...........................................................................22 Ligações (Figura 7).........................................................................................................................................................22 Condução do ensaio ........................................................................................................................................................22

Parte III – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário..............24 Ligações (Figura 9).........................................................................................................................................................24 Condução do Ensaio .......................................................................................................................................................24

TRABALHO Nº4 – Transformador Monofásico ...............................................................................................................25 1. Objectivo dos ensaios .....................................................................................................................................................25 2. Lista de Material. ............................................................................................................................................................25 3. Montagem dos componentes...........................................................................................................................................27 4. Ensaio do transformador em vazio. ................................................................................................................................28

Ligações (Esquema Figura 7) .........................................................................................................................................28 Condução do ensaio ........................................................................................................................................................29

5. Ensaio do transformador em curto-circuito ....................................................................................................................29 Ligações (Esquema Figura 8) .........................................................................................................................................29 Condução do ensaio ........................................................................................................................................................30

6. Transformador com carga simétrica ...............................................................................................................................30 Ligações (Esquema Figura 9) .........................................................................................................................................30 Condução do ensaio ........................................................................................................................................................31

TRABALHO Nº5 – Máquina Assíncrona (ou de Indução) ...............................................................................................32 1. Objectivos .......................................................................................................................................................................32 2. Base teórica.....................................................................................................................................................................32 3. Material...........................................................................................................................................................................35

Ligações do estator da máquina de indução....................................................................................................................35 Placa de protecção do motor ...........................................................................................................................................36 Arrancador suave ............................................................................................................................................................36

4. Ensaios............................................................................................................................................................................37 Ensaio em vazio..............................................................................................................................................................37 Ensaio rotor bloqueado ...................................................................................................................................................38 Ensaio em carga..............................................................................................................................................................38

REGRAS DE SEGURANÇA NO LABORATÓRIO

O presente conjunto de regras tem como primeiro objectivo garantir a sua segurança e, em segundo, a integridade do equipamento que

é de todos. Ao longo de todo o seu trabalho, tenha sempre presente que

ELECTRICIDADE PODE MATAR!

ANTES DE LIGAR A ALIMENTAÇÃO:

1. Nunca trabalhe sozinho no laboratório.

2. Antes de iniciar a montagem do equipamento necessário, verifique que a alimentação da bancada se encontra desligada. Note que

existem na bancada um disjuntor de corrente contínua e outro de corrente alternada.

3. Inspecione visualmente o material que vai usar; cabos de ligação com o isolamento danificado ou bornes defeituosos, não devem

ser usados.

4. Se desconhece a gama de variação das grandezas em jogo (tensões, correntes, potências) seleccione a escala de leitura mais

ampla dos aparelhos de medida.

5. Se os seus cabelos são longos, prenda-os num "rabo de cavalo", principalmente se está a trabalhar com máquinas em movimento.

6. Mantenha a bancada livre de objectos desnecessários ao seu trabalho tais como cabos de ligação e equipamento que não foi

usado, peças de vestuário, mochilas, etc.

7. Verifique as ligações e certifique-se de que não existem cabos com um terminal desligado.

8. Se estiver a usar um autotransformador directamente ligado à rede, verifique se este se encontra "fechado".

DEPOIS DE LIGAR A ALIMENTAÇÃO:

1. Verifique as escalas de leitura e ajuste-as, se necessário. Repita este procedimento sempre que alterar as condições do ensaio

(variação de carga, tensão de alimentação corrente).

2. Nunca altere as ligações do circuito com a alimentação ligada.

3. Restrinja os seus procedimentos aos indicados no guia de laboratório. As excepções a esta regra devem ser acompanhadas,

pessoalmente, pelo professor da aula.

4. Evite tocar nas partes metálicas dos equipamentos. Caso verifique alguma anomalia, comunique-a ao seu professor.

5. Respeite os valores nominais dos equipamentos que está a utilizar.

DEPOIS DE DESLIGAR A ALIMENTAÇÃO:

1. Desmonte com cuidado o material utilizado e arrume-o onde o encontrou.

2. Devolva ao professor o material que este, pessoalmente, lhe colocou à disposição.

3. Tenha em atenção que existem componentes que podem apresentar uma diferença de potencial aos seus terminais, mesmo

quando a alimentação já foi desligada (caso dos condensadores).

EM CASO DE ACIDENTE:

1. Mantenha a calma.

2. Não tente socorrer um colega que esteja em contacto com uma tensão; desligue imediatamente o disjuntor.

3. Em caso de incêndio, use os extintores colocados à sua disposição no laboratório.


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TRABALHO Nº1 - Leis de Kirchhoff, Potências e Diagramas Temporais de Tensão e Corrente

Objectivo dos ensaios Com este trabalho pretende-se que o aluno verifique laboratorialmente as Leis de Kirchhoff ("lei dos nós" e "lei

das malhas"), a repartição de potência dissipada num circuito e observe os diagramas temporais de tensão e

corrente aos terminais de uma resistência, bobine e condensador.

Placa de Ligações Base As três montagens a realizar neste laboratório, têm por base uma placa de ligações de bancada, representada

pelo seguinte circuito:

Estas serão efectuadas através de diferentes ligações e introdução de diversos aparelhos de medida nesta placa

base.


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Leis de Kirchoff

Lista de Material e Esquema de Ligações

F

A

B

C

R2

R3

Máx

30 V

F Fonte de Alimentação Contínua (DC) DANICA SUPPLY TPS 21 ou Topward 6302 D

R Reóstato 35 Ω, 3 A ou 50 Ω, 5 A

Pinça multimétrica

Condução do ensaio

1 Coloque o cursor do reóstato numa posição qualquer, devendo, no entanto, evitar valores de resistência

muito baixos (Porquê?).

2 Seleccione a escala de leitura dos aparelhos de medida para grandezas contínuas e comute igualmente

para uma escala que lhe permita grande alcance, pois, à partida, desconhece os valores das intensidades de

corrente que cada aparelho vai ler. Tenha em atenção que o sentido positivo da corrente é dirigido do terminal +

para o terminal -.

3 Regule a fonte de alimentação até obter 30 V aos seus terminais; use a pinça amperimétrica como

voltímetro DC

4 Leia e registe o valor das correntes.

5 Leia e registe o valor das tensões ABU , ACU e

CBU

6 Repita o ensaio fazendo variar a posição do cursor do reóstato. Tenha em atenção a corrente máxima

que cada reóstato pode suportar.

R

1I 2I

3I


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1I 2I 3I ABU ACU CBU R

1º ensaio

2º ensaio

3º ensaio

Verificação das leis de Kirchhoff (lei dos nós e lei das malhas)

1 Verifique que os valores das 3 correntes cumprem a lei dos nós

2 Verifique que os valores das 3 tensões cumprem a lei das malhas

3 Através dos valores das correntes e das tensões, determine o valor da resistência R para cada um dos

ensaios.

Verificação do Princípio da conservação de energia

1 Verifique que a potência fornecida pela fonte ( FonteFonte IU ) é dissipada por efeito de Joule no somatório das 3

resistências ( )∑ ∑= iiii IUIR2 .


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Análise de Diagramas Temporais de Tensão e de Corrente

Esquema de ligações

Lista de material

AT – Auto transformador monofásico

T –Transformador de Isolamento Galvânico ASEA (230V:55V)

Pinça multimétrica

W – Wattímetro PROVA CA 404

1I 2I

3I


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R – Reóstato (35 Ω; 5A ou 50 Ω; 5A)

L – Carga indutiva (Bobina com núcleo de ferro)

C – Condensador Siemens de 94 mF (placa de bancada)

Osciloscópio OS 250 (escalas 5 ms/cm e 5V/cm em ambos os canais)

Sonda de corrente

Caixa de transformadores de isolamento de sinal OFICEL


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Condução do Trabalho

1. Verifique as ligações com a carga resistiva ligada. Mantenha o osciloscópio desligado e o autotransformador

na posição "zero". Seleccione correctamente as escalas dos aparelhos de medida.

2. Através do autotransformador, aplique progressivamente, uma tensão de 24 V ao circuito.

3. Os aparelhos de medida que está a utilizar medem o valor eficaz das grandezas em jogo. Registe a leitura dos

aparelhos de medida.

1I [A] 2I [A]

3I [A] FonteU

[V] BCU [V]

Determine o valor de R

Verifique as leis de Kirchhoff. O que conclui?

4. Registe os valores medidos pelo wattímetro.

P [W]

Fazendo uso dos valores de tensão e corrente já medidos, determine o valor das potências aparente e

reactiva absorvidas pela carga e do factor de potência.

S [VA] Q [var] ϕcos

Verifique que ϕ= cosIUP e que ϕ= sinIUQ

5. No osciloscópio, observe a tensão aos terminais da resistência R (pontos B e C do circuito) e a corrente que a

percorre. Registe as curvas observadas:

Comente a desfasagem entre as duas grandezas e represente o diagrama vectorial.


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Desligue a alimentação do circuito. Repita os pontos anteriores, para carga indutiva.

1I [A] 2I [A]

3I [A] FonteU

[V] BCU [V]

Determine o valor de L


Registe os valores medidos pelo wattímetro.

P [W]





Registe o andamento da tensão e corrente na carga indutiva



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Desligue novamente a alimentação do circuito. Repita os pontos anteriores, para carga capacitiva.

1I [A] 2I [A]

3I [A] FonteU

[V] BCU [V]

Verifique o valor de C


Registe os valores medidos pelo wattímetro.

P [W]





Registe o andamento da tensão e corrente na carga capacitiva



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TRABALHO Nº2 – Sistemas Trifásicos

Objectivos dos ensaios

Com este trabalho pretende-se que o aluno tenha um contacto directo com os sistemas trifásicos. Mais

concretamente, que adquira os conceitos de tensão simples e tensão composta, de corrente na linha e de

corrente na fase, ligação em estrela e ligação em triângulo, etc.

Equipamento a utilizar

Para a realização destes ensaios vai utilizar-se um sistema trifásico de tensões de valor abaixo dos 60V (tensão

composta). Para o efeito, usa-se um transformador trifásico abaixador como o representado na Figura 1 (a) e

com o primário e secundário ligados em estrela (Y-Y) tal como se representa na Figura 1 (b).

(a) (b)

Figura 1 – Transformador trifásico e esquema de ligações

O esquema representado na Figura 1 (b) é equivalente ao

representado na Figura 1 (c) onde a ligação dos terminais

111 CeB,A representa o neutro do primário e a ligação

dos terminais 111 ceb,a o neutro do secundário.

(c)

Figura 1 Esquema Transformador Y-Y


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A aplicação deste sistema de tensões do secundário à carga, é feita através de um interruptor apropriado como

se mostra na figura 2. No cabo deste interruptor, as fases estão identificadas pelos bornes vermelho, verde e

amarelo e o neutro pelo azul.

Figura 2: Interruptor para a aplicação da tensão

Como cargas vai utilizar-se a montagem apresentada na figura 3. O valor de cada resistência é Ω33 com

capacidade de dissipação de W200 .

33 Ω / 200 W

33 Ω / 200 W

33 Ω / 200 W

Cargas resistivas

Figura 3: Sistema de cargas resistivas

Instrumentos de medida.

Para a medida das tensões: Multímetro CENTER 120

Para a medida das correntes: Pinça multimétrica HIBOK 50


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De modo a evitar temperaturas elevadas nas resistências deve desligar-se a carga depois de efectuadas

as medições.

Calcule o valor máximo da corrente a que as cargas podem estar sujeitas.

Parte I – Carga ligada em estrela com neutro 1. Efectue as ligações de acordo com a Figura 4.

Figura 4: Esquema de ligações – Carga em estrela

2. Ligue o disjuntor.

3. Feche o interruptor.

4. Meça os valores das tensões simples, tensões compostas, tensões nas fases da carga, correntes nas

linhas e correntes na carga. (atendendo ao princípio de funcionamento da pinça amperimétrica, não efectue

medições nas proximidades do transformador)

Na Rede Na Linha de Transmissão Na Carga

Tensões simples Tensões compostas Correntes nas linhas Neutro Tensões fases carga Correntes fases carga

Ua Ub Uc Uab Ubc Uca ILa ILb ILc IN UFa UFb UFc IFa IFb IFc

5. Meça, em simultâneo, as 3 correntes de linha. O que conclui?

Meça a corrente de neutro. O que conclui?

6. Desligue o disjuntor.

Justifique os valores das grandezas medidas em função das relações teóricas que existem entre eles.


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Parte II – Carga ligada em estrela sem neutro 1. Efectue as ligações de acordo com a Figura 5.

Figura 5: Esquema de ligações – Carga em estrela

Proceda como no ensaio anterior.




Justifique os valores das grandezas medidas em função das relações teóricas que existem entre eles.

Parte III – Carga ligada em triângulo

Figura 6: Esquema de ligações – Carga em triângulo

Ligue a carga em triângulo e proceda como no ensaio anterior.

Meça os valores das tensões simples, tensões compostas e correntes.




Verifique se está a exceder a potência máxima de dissipação das resistências.


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Parte III – Carga assimétrica

III-1. Regime monofásico com corrente pelo neutro

Efectue as ligações de acordo com o esquema da Figura 7.

Proceda como nos ensaios anteriores.

Figura 7: Esquema de ligações; sistema monofásico

Meça as correntes e tensões.

Justifique os valores obtidos.




III-2. Regime bifásico com corrente pelo neutro



Figura 8: Esquema de ligações; sistema bifásico


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III-3. Regime monofásico sem corrente pelo neutro (sem condutor de neutro).



Figura 9: Esquema de ligações; sistema bifásico sem neutro






Fim dos ensaios Verifique que desligou o disjuntor.

Desmonte e arrume todo o material utilizado.


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TRABALHO Nº3 – Circuito Magnético

1. Objectivo dos ensaios Com este trabalho pretende-se que o aluno adquira os conhecimentos básicos associados ao tema do

circuito magnético. Entre estes incluem-se os conceitos de regime quase estacionário, de campo de indução

magnética, de distribuição de campo no espaço, de dispersão e campo principal, de relutância magnética, de

impedância, etc.

2. Equipamento a utilizar Para a realização deste trabalho foi construído o

sistema que se apresenta na figura 1. Este é composto pelo

núcleo magnético em forma de E, pela bobina com 400

espiras e pela armadura.

Figura 1: Sistema para o estudo do circuito magnético.

Fonte de tensão contínua

Deve utilizar-se uma fonte de tensão contínua

electrónica regulável com limitação de corrente. A gama

de variação de tensão necessária é inferior a 5V. É

necessário dispor também de uma fonte de tensão

constante e estabilizada de 5V para a alimentação da

sonda de campo de indução magnética. Ambas as

funções estão presentes no mesmo aparelho electrónico.

Recomenda-se a utilização da fonte Danica TPS21

(Figura 2).

Antes de ligar a fonte deve ter o cuidado de colocar

o seu cursor na posição zero e aumentar lentamente o valor da corrente. De igual modo, quando acabar as

medidas, deve regular a corrente para zero actuando no cursor e só depois deve desligar a fonte.

Figura 2: Fonte de tensão DC


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Fonte de tensão alternada

Como fonte de tensão alternada vai utilizar-se um

autotransformador com regulação de tensão em carga

monofásico com tensão de saída ajustável entre os 0 e 110V

(Figura 3).

Antes de fazer as ligações deve ter o cuidado de colocar

o cursor do autotransformador na posição zero.

Sistemas de medida

1. Amperímetro electromagnético 0-5A

2. Multímetro CENTER 120

3. Sonda de efeito Hall SS490 para a medição do campo B.

Esta sonda é dotada de quatro terminais (Figura 4).

Entre o terminal vermelho (+) e o branco (-) deverá ser

aplicada uma tensão de alimentação DC de 5V. A tensão de

saída é medida entre o terminais azul e verde. Esta tensão é

função do campo B onde se encontra a sonda segundo a

relação da figura 5.

Característica da sonda

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

V [V]

B [

mT

]

Figura 5: Relação entre o campo B medido e a tensão à saída da sonda.

Osciloscópio

Figura 3: Autotransformador Monofásico

Figura 4: Sonda de efeito Hall

[ ] [ ] 8032 −×= VVmTB


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Parte I – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão contínua.

Ligações (Figura 6)

Introduza a bobina no núcleo, ligue-a à fonte de tensão regulável (0-30V e 2A) e alimente-a de modo a

circular a corrente indicada em cada um dos casos seguintes.

Alimente a sonda de efeito de Hall através da fonte 5V-3A e ligue a sua saída a um voltímetro ou

multímetro (Figura 6).

Figura 6: Esquema de ligações – Bobine alimentada em DC.

Condução do Ensaio

• Ligue a fonte DC.

• Nas três situações seguintes meça o valor do campo de indução magnética em vários pontos do espaço,

usando um multímetro à saída da sonda. Regule cada valor de corrente na bobine através do botão

“Curr Adj” da fonte DC.

• Verifique que a armadura é atraída pelo núcleo.

Situação A – Núcleo magnético aberto (sem armadura) – I=1A

Local de medida Tensão na sonda [V] Campo de indução [mT]

Centro de coluna lateral

Junto à fronteira da coluna central

Centro de coluna central

Junto à fronteira da coluna lateral

No exterior a 1 cm


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Situação B – Circuito magnético com 1 cm de entreferro – I=1A






No exterior a 1 cm

Situação C – Circuito magnético com 2 mm de entreferro – I=0,5A






No exterior a 1 cm

• Verifique que este campo de indução B é proporcional à corrente da bobina; varie o valor da intensidade da

corrente na bobine (através do botão “Curr Adj” da fonte DC) e meça o valor do campo na coluna central. O

circuito magnético deverá ter um entreferro de 1 cm.

I [A] U na sonda [V] B [mT]

1

0,75

0,5

0,25

0

• Desligue a fonte DC.


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Parte II – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada.


Alimente a bobine usando o autotransformador (Figura 7).

Figura 7: Esquema de ligações – Bobine alimentada em AC.

Mantenha a alimentação da sonda de efeito de Hall através da fonte DC (5V-3A).

Ligue a saída da sonda a um dos canais do osciloscópio, de forma a visualizar a forma de onda da tensão

de saída. O acoplamento deste canal deverá ser CC. (Figura 8).

Figura 8: Ligações da sonda de efeito de Hall – Bobine alimentada em AC.


• Verifique que o auto-transformador está a zero; ligue o disjuntor e a fonte DC.

• Retire a armadura do circuito magnético.

• Através do auto-transformador, ajuste a corrente na bobine para 1 A

• Coloque e retire a armadura. Verifique as alterações no valor da corrente. Justifique as observações.

• Verifique que existe uma força que se exerce sobre a armadura. Justifique a vibração sentida.

• Para as três situações da alínea anterior ajuste a corrente da bobine ( LI ) para o valor indicado, fazendo variar a tensão aplicada pelo autotransformador.

• Anote o valor da tensão do voltímetro ( LU ) e calcule a impedância da bobine ( LZ ) em cada um dos casos.

• Meça o campo no entreferro nos mesmos locais. A medida do pico da tensão da sonda deverá ser feita usando o osciloscópio.


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Situação A – Núcleo magnético aberto (sem armadura) (I=1A)

=LU AI L 1= =ω= LZL






No exterior a 1 cm

Situação B – Circuito magnético com 1 cm de entreferro (I=1A)

=LU AI L 1= =ω= LZ L






No exterior a 1 cm

Situação C – Circuito magnético com 2 mm de entreferro (I=0,5A)

=LU AI L 5,0= =ω= LZ L






No exterior a 1 cm

• Desligue o disjuntor e a fonte DC.


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Parte III – Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário


Enrole 4 espiras de cabo isolado sobre a bobina.

Introduza um voltímetro aos terminais deste cabo.

O circuito magnético deverá ter um entreferro de 2 mm.

Figura 9: Circuito magnético alimentado por fonte de tensão alternada, fechado com enrolamento secundário.

Condução do Ensaio

• Verifique que o auto-transformador está a zero; ligue o disjuntor AC.

• Variando a tensão aplicada à bobina através do autotransformador, 1U , (não ultrapasse 25 V), meça a

tensão aos terminais do enrolamento de 4 espiras, 2U .

1U [V] 2U [V] 1U / 2U

• Calcule a relação entre estas duas tensões, 1U e 2U .

• Com base nesta relação, determine o número de espiras da bobine, 1N .

• Desligue o disjuntor.

• Arrume todo o material que utilizou.


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TRABALHO Nº4 – Transformador Monofásico

1. Objectivo dos ensaios Este trabalho destina-se a dar aos alunos uma visão clara do transformador monofásico, através dos

ensaios em vazio, curto-circuito e carga resistiva. O trabalho aqui proposto deverá ser executado por um número

restrito de alunos supervisionado por um professor. Dado o nível elevado das tensões em jogo, deverão os

alunos proceder com o máximo cuidado de modo a evitarem choques eléctricos que poderão ter consequências

graves.

2. Lista de Material. 2.1. Transformador monofásico OFICEL (1 kVA)

a) Esquema. B) Fotografia

Figura 1: Transformador monofásico didáctico.

O primário é constituído por um enrolamento de 1 kVA e que suporta 230V o que permite concluir que a

corrente nominal deste enrolamento é A3,42301000 = .

O secundário é constituído por quatro enrolamentos com igual número de espiras. Cada um destes dois

enrolamentos tem o valor nominal de tensão de 58V e uma potência de 250 VA o que permite concluir que a

corrente nominal de cada um destes enrolamentos é A3,458250 = .

Os enrolamentos estão protegidos por fusíveis o que apenas protege o transformador contra

curto-circuitos.

Pelo facto de o transformador apresentar 4 enrolamentos no secundário, permite diferentes configurações

adaptadas a diversas características da carga, como se exemplifica na Figura 2.


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230 V

1,1 A

250 VA

58 V

4,3 A

250 VA

(a) (b) (c) (d)

Figura 2: Possíveis configurações do transformador monofásico.

Usando apenas um enrolamento do secundário (Figura 2-a) a potência do transformador fica limitada pela

potência nominal do enrolamento secundário. Ligando em série os 4 enrolamentos do secundário (Figura 2-b),

adicionam-se as tensões de cada um deles ( V584 × ). Se os 4 enrolamentos forem ligados em paralelo (Figura

2-c) aumenta-se a corrente que pode circular no secundário ( A3,44 × ) mas a tensão disponível é a

correspondente a apenas um enrolamento. A Figura 2-d representa uma configuração possível do transformador

elevador (tensão do secundário superior à do Primário) utilizando 2 enrolamentos da Baixa tensão.

Como exercício, refaça os cálculos de tensões correntes e potência representados na Figura 2

2.2. Resistência de carga trifásica OFICEL

É constituída por um conjunto de resistências cujo valor pode ser regulado através de três comutadores.

Figura 3: Fotografia da resistência de carga.


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2.3. Autotransformador com regulação de tensão em carga

Durante os ensaios, deverá aplicar-se a tensão ao transformador de uma

forma suave e progressiva. Para isso utiliza-se um autotransformador com

regulação de tensão em carga. Sempre que ligar o disjuntor que alimenta o

autotransformador, deverá certificar-se que o cursor deste último se encontra na

posição zero. Esta medida deverá ser especialmente verificada quando realizar o

ensaio em curto-circuito.

Figura 4 Autotransformador

2.4. Pinça multimétrica

Para evitar a necessidade do uso de muitos amperímetros e

voltímetros optou-se pela utilização de uma pinça multimétrica que

permite medir a tensão e a corrente eléctrica sem necessidade de

desligar o circuito. Uma vez que esta pinça utiliza o campo

magnético para a medição da corrente, não a deverá aproximar demasiado do transformador para não introduzir

erros de medição.

2.5. Wattímetros

Atendendo aos valores de corrente,

deverão ser usados dois wattímetros. Para o

ensaio em vazio utilize o wattímetro C.A 404

numa escala de corrente de 0,5 A (Figura 4-a)

Nos ensaios em curto-circuito e em carga

utilize o wattímetro C.A 405 na escala de corrente

5 A. A sua utilização, nos ensaios em vazio e em

curto-circuito, visa a decomposição da impedância

complexa em parte real e parte imaginária.

Figura 5a: Wattímetro C.A 404

Figura 5b: Wattímetro C.A 405

3. Montagem dos componentes O transformador a ensaiar será o representado esquematicamente na Figura 2-d e reproduzido na

Figura 6.


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Figura 6: Esquemas do transformador monofásico 116V/230V.

Ligue dois dos enrolamentos de 58V em série.

A alimentação do transformador será efectuada através deste enrolamento de 116V que, por isso, será

denominado de primário. O secundário será o enrolamento de 230 V.

As características nominais deste transformador elevador estão resumidas na tabela seguinte.

Tabela 1: Valores nominais do transformador monofásico 116V/230V.

Primário Secundário

VU N 1161 = VU N 2302 = VASN 500=

AI N 3,41 = AI N 15,22 =

Os valores nominais não deverão ser ultrapassados em nenhum dos ensaios.

4. Ensaio do transformador em vazio.

Ligações (Esquema Figura 7)

Figura 7:Ensaio em vazio - esquema de ligações.


29/40

Alimente o enrolamento primário (116V) através do autotransformador com regulação de tensão em carga

e utilize a pinça multimétrica e o multímetro de modo a poder medir as correntes e as tensões no primário e

secundário.

Ligue o wattímetro CA 404 de modo a poder medir a potência absorvida.


• Actuando no autotransformador aplique a tensão nominal (116 V) ao enrolamento primário do transformador.

• Experimente aproximar e afastar a pinça multimétrica do transformador, para constatar os erros referidos no ponto 2.4 deste guia.

• Leia e registe os valores das tensões e correntes no primário e secundário.

Tabela 2: Valores do ensaio em vazio.

Valores Medidos Valores Calculados

Tensões [V] Correntes [A] Potência Activa [W]

=oU1 =oI1 =oP1 =oS =mR

=oU 2 =oI2 =oP2 =ϕo =mX

5. Ensaio do transformador em curto-circuito


Troque o Wattímetro pelo CA 405

Curto-circuite as fases do secundário.

Figura 8:Ensaio em curto-circuito - esquema de ligações.


30/40


• Este ensaio vai ser efectuado com tensão reduzida.

• Verifique que o autotransformador está na posição zero.

• Ligue o disjuntor de corrente alternada

• Aumente muito ligeiramente a tensão de alimentação até atingir os valores nominais da corrente ( AI N 3,41 = e AI N 15,22 = ).

• Leia e registe os valores das tensões e correntes no primário e secundário.

Tabela 3: Valores do ensaio em cuto-circuito.

Valores Medidos Valores Calculados

Tensões [V] Correntes [A] Potência Activa [W]

=ccU1 =ccI1 =ccP1 =ccS =ccR

=ccU 2 =ccI2 =ccP2 =ϕcc =ccX

6. Transformador com carga simétrica


Figura 9:Ensaio em carga - esquema de ligações.

Ligue em série duas das 3 resistências da carga Oficel referida no ponto 2.2

Verifique que os comutadores A1, A2 e A3 se encontram na posição zero o que equivale a ∞=R , isto é,

circuito do secundário em aberto, carga mínima no transformador.

Ligue a série de 2 resistências de carga ao secundário do transformador.

Mantenha o wattímetro introduzido no primário.


31/40


• Verifique que o autotransformador está na posição zero.

• Ligue o disjuntor.

• Aumente progressivamente a tensão no autotransformador até aplicar 116 V ao primário.

• Actue nos comutadores A1, A2 e A3 para ir diminuindo a resistência, isto é, aumentando a carga do transformador.

• Não ultrapasse os valores nominais de corrente, ( AI N 3,41 = e AI N 15,22 = .

• Registe os valores das grandezas indicadas na tabela.

Tabela 3: Valores do ensaio em cuto-circuito.

1A 2A 3A 1U [V] 1I [A] 1P [W] 2U [V] 2I [A]

0 0 0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

5 1 0

5 2 0

5 3 0

5 4 0

5 5 0

5 5 1

5 5 2

5 5 3

Elabore os seguintes gráficos:

• Tensão do secundário em função da corrente do secundário. Quanto vale a queda de tensão interna

no ponto de funcionamento nominal?

• Corrente do primário em função da corrente do secundário.

• Rendimento em função da corrente do secundário.


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TRABALHO Nº5 – Máquina Assíncrona (ou de Indução)

1. Objectivos Os objectivos principais deste trabalho são:

• efectuar os ensaios que permitam a determinação dos parâmetros do esquema equivalente da máquina de indução.

• verificar as características de funcionamento normal com carga mecânica variável.

A máquina que vai ensaiar apresenta os seguintes valores nominais:

kW22,=NP ; V400=NU ; pmN N r1420= ; %80=ηN ; 820,cos =ϕN ; AI N 94,= ;

NmM N 15=

2. Base teórica A máquina de indução de rotor em gaiola, que constitui o objecto de estudo destes dois trabalhos, é

constituída por um estator com um circuito magnético no qual estão implantados três enrolamentos distribuídos

em cavas, e por um rotor constituído por um circuito magnético de ferro macio também com cavas onde se

encontram barras condutoras curto-circuitadas nos topos (rotor em gaiola ou em curto-circuito).

Os enrolamentos do estator são percorridos por um sistema trifásico de correntes alternadas e sinusoidais

quando forem alimentados por um sistema trifásico de tensões também alternadas e sinusoidais da mesma

frequência f . Sendo p o número de pares de pólos da máquina, estas correntes criam um campo girante de

indução magnética que roda à velocidade de sincronismo dada por:

[ ]rpm 60

p

fN s = (1)

Rodando o rotor da máquina à velocidade de N [rpm], define-se o escorregamento relativo como:

s

s

N

NNs

−= (2)

O escorregamento relativo contêm a mesma informação que a velocidade, mas revela-se mais apropriado

para o estudo desta máquina.

O comportamento destas máquinas em regime transitório rege-se por um sistema de equações

diferenciais não lineares e variantes no tempo. Este estudo será efectuado em disciplinas posteriores.

Em regime permanente, o estudo da máquina de indução pode ser feito com a ajuda de um esquema

equivalente como o representado na figura 1 onde o índice r se refere ao rotor, o índice s ao estator e o índice

m à magnetização.


33/40

Rr 1-s

s

Ir Is

j(Xs+Xr)

jBm Gm

Rs+Rr

Us

Im

Figura 1: Esquema equivalente aproximado da máquina de indução.

A corrente do estator sI é dada pela soma (fasorial) da corrente de magnetização Im (quase indutiva pura

e de amplitude constante) com a corrente equivalente do rotor Ir que depende fortemente do escorregamento.

O valor da resistência fictícia

rrr R

s

sR

s

R −+=

1 determina o comportamento

desta máquina. Uma vez que o valor da resistência do

rotor Rr é relativamente baixo, só se obterão valores de

correntes razoáveis com escorregamentos s baixos,

próximos de zero, de modo a que a resistência Rr/s

seja elevada. No arranque, o escorregamento é unitário

e como consequência a máquina vai absorver correntes

de arranque elevadas, podendo ser várias vezes (4 a 8)

superiores ao valor nominal (figura 2).

Esta corrente circula pela máquina e pela rede

que a alimenta durante o transitório de arranque,

provocando quedas de tensão nas impedâncias da rede

e consequentes abaixamentos de tensão. Estas

constituem perturbações à alimentação dos

consumidores vizinhos. Para diminuir estas

perturbações é necessário reduzir o valor da corrente

de arranque usando métodos de arranque apropriados

que se adaptem às características da rede onde o

motor se encontra ligado e que também sejam

adaptadas à carga mecânica que este acciona.

Estes métodos de arranque traduzem-se, entre outros, por uma aplicação transitória de um valor mais

baixo de tensão ou pela introdução de impedâncias em série com os enrolamentos do estator.

-1 0 1 2 3 0

2

4

6 Ir/IN

-1 0 1 2 3 -4

-2

0

2 T/TN

-1 0 1 2 3 -1

0

1

FP

N/Ns

-1 0 1 2 3 0

2

4

6 Is/IN

Figura 2: Andamento da corrente do estator, rotor, do binário, e do factor de potência em função da velocidade de rotação da máquina quando alimentada a tensão e frequência constantes


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No primeiro trabalho descrito neste guia pretende efectuar-se alguns arranques e visualizar no

osciloscópio as formas de onda das grandezas mais importantes (corrente e velocidade de rotação).

A figura 2 apresenta o andamento de algumas grandezas importantes para a compreensão do

funcionamento da máquina quando esta se encontrar alimentada por uma rede de energia. Estas grandezas

estão representadas em relação aos valores nominais. Note-se que, em funcionamento normal, apenas interessa

a zona próxima da velocidade de sincronismo. Só nessa zona se têm valores baixos de corrente, valores

razoáveis do factor de potência, etc.

A figura 3 apresenta o andamento das grandezas da máquina de indução em função da carga mecânica,

expressa aqui como a potência mecânica fornecida à carga. Estas características são válidas apenas para a

situação normal caracterizada por escorregamentos pequenos.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Pu/PN

Is,

T,

Fp

,s,η

Características

Is

Fp

T

s

η

Figura 3: Andamento do escorregamento, factor de potência, binário e corrente absorvida em função da carga (potência mecânica

pedida).

Em funcionamento normal (a baixos escorregamentos) a resistência sRr é determinante sendo a

corrente rI fortemente resistiva. O seu carácter resistivo vai diminuindo à medida que o escorregamento s

aumenta. A corrente sI será a soma de mI com rI com se mostra na figura 4 para dois pontos de

funcionamento (a e b). Demonstra-se que descreverá uma circunferência no plano de Argand. Como esta

circunferência tem um diâmetro bastante grande, na zona de funcionamento normal obtém-se um arco que, por

ser pequeno comparado com o diâmetro da circunferência, pode ser confundido com um segmento de recta.


35/40

a

b

Is

Is

Ir

Ir Im

Us

Figura 4: Diagrama vectorial da máquina em carga. (para dois valores de carga)

3. Material

Ligações do estator da máquina de indução

Os 6 terminais das três fases do estator da máquina de indução encontram-se dispostos da forma

representada na figura 4a). As ligações em estrela (figura 4b) ou em triângulo (figura 4c) são fáceis de efectuar.

Para se efectuar em ligação em estrela basta ligar os terminais Z-X-Y com dois cabos e tomar UVW como

terminais da máquina. De igual modo, para efectuar a ligação em triângulo, basta ligar U-Z, V-X, e W-Y.

Ligação em Estrela Ligação em Triângulo

Z X Y

U V W

Z X Y

U V W

Z X Y

U V W

4a) Disposição 4b) 4c)

Figura 4: Terminais do estator da máquina assíncrona trifásica

(ligação em estrela e ligação em triângulo).

Os enrolamentos do estator da máquina que irá ensaiar foram dimensionados para suportar 230V. Assim,

esta não poderá ser ligada em triângulo numa rede de 400 V.


36/40

Placa de protecção do motor

Existe uma placa de protecção do motor que é constituída por

um disjuntor D, um contactor KM1 e um relé térmico. Esta placa deverá

ser sempre utilizada sendo colocada a jusante da alimentação. O seu

esquema encontra-se representado com fundo amarelo nos vários

esquemas que se descrevem a seguir.

Quando a bobina do contactor, representada pelo rectângulo ab

(fig 6), for alimentada com uma tensão alternada de 230V, faz fechar

os contactos do

contactor, não só os

contactos principais de

potência, mas também

o contacto auxiliar que

se encontra representado no bloco deste circuito de comando.

No início os contactos estão abertos. Pressionando o

botão ON (fig. 5 e fig. 6) que está ligado a um interruptor que se

encontra normalmente desligado, aplica-se a tensão à bobina e

esta faz fechar os contactos. Quando se fechar o contacto

auxiliar que se encontra em paralelo com este interruptor, não é

mais necessário pressionar o botão ON.

Para interromper o circuito basta pressionar o botão OFF que vai fazer abrir o interruptor que se encontra

em série com o circuito de comando. Interrompendo a corrente da bobina, uma mola faz abrir os contactos e

desliga-se assim o motor.

Arrancador suave

O arrancador suave é um dispositivo electrónico que permite reduzir as

correntes de arranque solicitadas à rede.

Figura 5: Placa de protecção do motor

R. térmico

U V W N

R S T

KM1

D

A B C

ab

OFF

ON

Circuito de

comando

Figura 6: Esquema eléctrico da placa de protecção.

Figura 7: Arrancador suave.


37/40

4. Ensaios Nos ensaios efectuados neste trabalho estuda-se o funcionamento da máquina assíncrona nas seguintes

situações:

• vazio.

• curto-circuito (bloqueada).

• carga.

Com estes ensaios pretende determinar-se os parâmetros do esquema equivalente, as perdas, o

rendimento e traçar as principais características de funcionamento como motor.

Ensaio em vazio

Ligue o estator da máquina em estrela.

Efectue as ligações representadas no esquema da figura 8.

Figura 8: Esquema de ligações para os ensaios em vazio e de rotor bloqueado.

AT- Auto transformador Trifásico W – Wattímetro trifásico

Ligue o taquímetro de bancada.

Ligue o disjuntor de bancada.

Verifique que a escala das sondas de corrente do wattímetro se encontram no valor 10 A.

Efectue o arranque da máquina aumentando progressivamente a tensão aplicada ao motor recorrendo ao

autotransformador com regulação de tensão.

Com a tensão aplicada à máquina num valor próximo do nominal (400 V), leia e registe os valores de

tensão, corrente, potência trifásica absorvida e velocidade, na tabela seguinte.

sU (V) sI (A) 1P (W) N (rpm)

Pare a máquina reduzindo a tensão aplicada a zero.


38/40

Ensaio rotor bloqueado

O estator da máquina deverá estar ligado em estrela.

Utilize as mesmas ligações do ensaio em vazio.

Bloqueie o veio da máquina segurando-a com a mão, uma vez que o binário é reduzido.

Eleve progressivamente a tensão aplicada à máquina até atingir a corrente nominal do primário

( AI N 94,= ).

Registe os valores de tensão, corrente e potência trifásica absorvida, na tabela.

sU (V) sI (A) 1P (W)

Ensaio em carga

O ensaio em carga da máquina assíncrona será efectuado com recurso a uma máquina de corrente

contínua que já se encontra acoplada à máquina assíncrona; a máquina de corrente contínua vai funcionar como

gerador obrigando a máquina de indução a fornecer-lhe potência mecânica. A energia gerada pela máquina de

corrente contínua será dissipada em calor na resistência bR . Para que seja induzida uma tensão DCV aos

terminais da máquina DC, é necessário que o enrolamento CD seja alimentado por uma tensão contínua (obtida

pela rectificação da tensão de saída do autotransformador).

Ligue o estator da máquina de indução em estrela.

Efectue as ligações do sistema global, representadas no esquema da figura 9.

A figura 10 representa um esquema mais pormenorizado das ligações da máquina de corrente contínua.

Figura 9: Esquema de ligações para o ensaio em carga.

E. ELÉCTRICA ELÉCTRICA E. MECÂNICA


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Figura 10: Esquema de ligações da máquina DC para o ensaio em carga.

A-B: Terminais do circuito induzido C-D: Terminais do circuito de campo Rb: Resistência de carga OFICEL

Coloque os comutadores da resistência bR “Carga Trifásica Resistiva” no valor correspondente à resistência

mínima (A1 em 5; A2 em 5 e A3 em 5). Coloque as 3 fases e a “Carga resistiva Ω12 , 1000 W” todas em

paralelo.

Figura 11: Resistência de carga, Rb, do gerador DC.

Ligue a alimentação do arrancador suave.

Ligue o taquímetro.

Ligue o disjuntor da bancada.

Faça o arranque da máquina de indução actuando na placa de protecção e depois no arrancador suave.

Ligue o ventilador da máquina.

Eleve a tensão do autotransformador até obter 5 A de corrente no estator da máquina de indução (corrente

nominal). Vá baixando o autotransformador de forma a baixar a corrente DCI (corrente que percorre a

resistência Rb) de 2 em 2 amperes até atingir o ponto de vazio (corrente DCI nula).

Leia e registe em cada ponto os valores da tabela seguinte.


40/40

sU (V) sI (A) 1P (W) N (rpm) DCU (V) DCI (A)

5

0

Tenha em atenção os valores nominais da máquina que são:

kW22,=NP ; V400=NU ; pmN N r1420= ; %80=ηN ; 820,cos =ϕN ; AI N 94,= ;

NmM N 15=

Os valores a calcular podem ser obtidos a partir das expressões seguintes.

N

IIUM dcdcdc

60

2

)2(

π

×+= ss IVS 3=

S

P1=ϕcos nM

Pm60

2π×=

1P

Pm=η

Reduza a carga (autotransformador fechado) e desligue o motor assíncrono actuando na placa de protecção.

Desligue o disjuntor de corrente alternada.

Desligue a alimentação do arrancador suave.

Arrume todo o material que utilizou.

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