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ENSAIO DE TENSÃO INDUZIDA A PARTIR DO ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE

INDUÇÃO DE ROTOR BOBINADO

Antônio José Faria Barbosa Júnior

Orientador: Prof. Dr. Ângelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo - Este artigo trata-se da construção de um

gerador de tensão 120[Hz] utilizando-se um conversor

rotativo de rotor bobinado com o eixo sendo girado

em sentido oposto ao campo girante do estator acio-

nado por um Motor de Corrente Contínua. Este ar-

ranjo será utilizado para o ensaio de tensão induzida

em transformadores, onde normalmente são necessá-

rias máquinas especiais, sendo assim, o projeto des-

crito é uma solução mais viável economicamente.

Palavras-Chave: Ensaio de tensão induzida, Gerador

[120Hz], Motor de Indução.

I – INTRODUÇÃO

Todo componente ligado à rede elétrica poderá, em certo

momento, ficar exposto à sobretensões. Em se tratando de

transformadores, isso pode gerar acidentes graves se o

equipamento estiver em condições precárias.

Os problemas causados pelas sobretensões, em sua maio-

ria, ocorrem por falha no isolamento da máquina. Em

transformadores em funcionamento, existem as tensões

entre as bobinas de alta e baixa, entre esses enrolamentos

e as partes de metal aterradas e também entre espiras no

mesmo enrolamento. Dito isso, é possível perceber o

quão propício a esse tipo de falha é o equipamento e a

importância do estudo e detecção de possíveis problemas.

São conhecidos três métodos para averiguar o estado do

isolamento em transformadores, sendo: medição da resis-

tência de isolamento, teste de tensão aplicada e ensaio de

tensão induzida[1]. Os dois primeiros tem a finalidade de

verificar o isolamento entre os enrolamentos de alta e

baixa e entre ambos e as partes metálicas, já o último

consegue verificar o isolamento entre espiras do mesmo

enrolamento.

O ensaio de tensão induzida em transformadores é visto

como ensaio de rotina, usado para averiguar o isolamento

entre espiras dos transformadores com tensões nominais

menores que 75[KV], porém para a realização do teste é

preciso aplicar uma tensão com o dobro da amplitude e

até duas vezes a frequência nominal do transformador, no

lado de baixa tensão, ou seja: 120 [Hz], aí que entra o

problema de se conseguir essa tensão e a ideia desse Tra-

balho Final de Graduação

A solução encontrada foi de acionar um Motor de Indu-

ção de rotor bobinado, com frequência nominal 60 [Hz],

através de um Motor de Corrente Contínua de tal forma

que o campo da armadura do conversor, acionado exter-

namente, gira em um sentido e seu eixo gira no sentido

oposto com rotação de 1800 [rpm]. Dessa forma, será

obtido tensão com frequência e amplitude variáveis na

saída do MIT, no presente ensaio foi escolhido 120 [Hz].

II – REFERENCIAL TEÓRICO

Serão introduzidos alguns conceitos sobre os principais

equipamentos utilizados para o melhor entendimento do

arranjo elaborado.

II.1 – Máquina CA de Rotor Bobinado

As Máquinas CA Assíncronas, também chamadas de

Máquinas de Indução, funcionam a partir do princípio da

indução eletromagnética de energia, onde bobinas colo-

cadas no estator são alimentadas por um sistema trifásico

de tensões e correntes, criando um sistema trifásico de

campos magnéticos variantes no tempo que induz no ro-

tor e faz circular corrente e polariza-os, como nos trans-

formadores. É sabido que o funcionamento descrito diz

respeito à operação como motor e que o inverso, opera-

ção como gerador, também é possível e desejável no pre-

sente ensaio.

As máquinas de Indução são classificadas em dois tipos

diferenciando-se em relação à construção do rotor, sendo

estes: rotor bobinado e rotor gaiola de esquilo.

O rotor gaiola de esquilo consiste em barras condutoras

encaixadas em ranhuras no ferro do rotor e curto-

circuitadas por anéis condutores.

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

NOVEMBRO/2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

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Já o rotor bobinado possui bobinas como as do estator e

com o mesmo número de polos. Os terminais desses en-

rolamentos são conectados a anéis deslizantes montados

sobre o eixo. Escovas de carvão apoiadas sobre esses

anéis permitem que os terminais do rotor tornem-se aces-

síveis externamente ao motor [2]. As figuras 1 e 2 mos-

tram, respectivamente, o rotor gaiola de esquilo e o rotor

bobinado.

Fig.1 – Rotor Gaiola de Esquilo.

Fig.2 – Rotor Bobinado.

A diferença de velocidade do campo girante produzido

pelo estator e a do rotor é chamada de escorregamento e

influencia a frequência da tensão do rotor dado pela

equação (1):

𝑓𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑠 ∗ 𝑓𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟 [𝐻𝑧] (1)

Onde:

- s: escorregamento;

- 𝑓𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟: frequência do campo girante do estator;

- 𝑓𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟: frequência do campo girante do rotor.

II.2 – Máquina de Corrente Contínua

Os motores de corrente contínua são muito usados em

indústrias, principalmente em acionamentos onde é ne-

cessário controle preciso de velocidade de rotação. Devi-

do à sua simplicidade e facilidade de controle de veloci-

dade, este foi escolhido para o acionamento da Máquina

CA.

Como o motor CA, a máquina CC pode ser dividida em

duas partes distintas: o estator (parte fixa) e o rotor (parte

móvel).

Quanto à parte fixa, trata-se de bobinas percorridas pela

corrente contínua de campo ou estatórica, que passam a

se comportar como eletroímãs de polaridade fixa. Ao

fixá-las nas peças polares, surge então, os polos magnéti-

cos e o campo magnético principal.

Já na parte girante, corrente contínua passa das escovas

para o comutador e por sua vez para as bobinas no rotor

para que estas fiquem polarizadas e haja atração e repul-

são entre os polos opostos e iguais do campo do estator.

A ação dos comutadores é de extrema importância para o

funcionamento da máquina. Pois, sem eles, ao completar

meia volta os polos da armadura e de campo iriam se

atrair e tender a ficar estáticos, a eficiência no chavea-

mento das bobinas no comutador é fundamental para que

o momento de inércia no eixo seja mantido e o motor

funcione constantemente.

II.3 – Excitação da Máquina de Corrente Contínua

Quanto à excitação do campo da máquina, temos os tipos

excitação independente e auto-excitado.

No primeiro caso, como o nome já diz, a excitação da

bobina de campo é feita a partir de uma fonte indepen-

dente da que está sendo usada na armadura. Esta configu-

ração é bastante utilizada devido aos variados métodos de

controle de velocidade

Já os motores auto-excitados podem apresentar configu-

ração série, shunt ou composta:

- Excitação Série: nesta configuração, as bobinas de cam-

po estão ligadas em série com o enrolamento de armadu-

ra, ambos possuem fios grossos para facilitar a passagem

de corrente. Esta corrente alta garante ao motor alto con-

jugado de partida o que justifica sua grande aplicação na

área de tração elétrica, como bondes e trens.

- Excitação Shunt: também chamada de excitação em

paralelo, o conjunto de bobinas de campo fica em parale-

lo com o de armadura. Neste caso, o enrolamento de

campo possui fio fino e várias espiras, já que a alta cor-

rente que aparece em operação em plena carga irá para o

enrolamento de armadura. Esta configuração possui pou-

ca variação da velocidade em relação à variação de carga.

- Excitação Composta: basicamente a junção dos dois

métodos anteriores, a bobina série pode auxiliar ou se

opor à parte paralela do enrolamento de campo. Esta con-

figuração possui torque de partida maior que a configura-

ção paralela e melhor controle de velocidade quando

comparado à excitação série.

As imagens representativas dos acionamentos encontram-

se no Anexo A da seção Anexo.

No presente trabalho foi usada a excitação shunt devido à

sua facilidade em manter a velocidade constante o que é

fundamental para o projeto.

II.4 – Ensaio de Tensão Induzida

Segundo a Norma ABNT NBR 5356-3: 2007 página 6 [3]

o ensaio de tensão induzida em transformadores é visto

como ensaio de rotina, usado para averiguar o isolamento

entre espiras dos transformadores com tensões nominais

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menores que 75[KV], como mostrado na tabela 1, a se-

guir:

Tabela.1 – Requisitos para os ensaios dielétricos

(ABNT 5356-3.2007, p. 05).

Para a realização do ensaio utiliza-se o transformador à

vazio e aplica-se uma tensão igual ao dobro da nominal,

nos terminais de baixa, durante um tempo de 7200 ciclos.

No lado da alta tensão, onde é exigido mais do dielétrico,

também aparecerá um potencial duplo entre espiras. Des-

sa forma, dentro do tempo especificado, se houverem

problemas com o transformador, este será identificado,

seja na forma de bolhas, fumaça, barulho, etc...

A Fig. 3 ilustra a tensão entre espiras:

Fig.3 – Potencial entre espiras.

Um importante ponto a ser observado nesse ensaio é que

a corrente de excitação não pode exceder 30% do valor

da corrente nominal, pois um alto valor de corrente refle-

te em aumento de temperatura e possíveis danos ao iso-

lamento.

A equação (2) a seguir mostra a forma simplificada da

tensão induzida

𝑉 = 𝑘 ∗ 𝐵 ∗ 𝑓 [𝑉] (2)

Onde:

- V: tensão induzida;

- k: constante;

- B: campo magnético induzido.

Ao tentar obter a tensão dobrada apenas aumentando a

indução magnética e mantendo a frequência constante,

levando em conta ainda a saturação do material, a corren-

te necessária ultrapassaria muito o limite, como mostrado

na Fig.3, a seguir:

Fig.4 –Gráfico de Campo Magnético x I de excitação.

A solução para esse problema é aumentar a frequência.

Nota-se que em casos onde a frequência é dobrada, a cor-

rente de excitação permanece a mesma do funcionamento

nominal.

Também, no caso da frequência f = 120 [Hz], o período

do teste de 7200 ciclos é igual a 1 minuto.

III – METODOLOGIA

A primeira ideia para a obtenção do sinal com a frequên-

cia desejada para o teste de tensão induzida foi apresenta-

da pelo ex-aluno de Engenharia Elétrica Lucas Roman,

em seu Trabalho Final de Graduação [5] apresentado em

Novembro de 2015.

Neste arranjo, o ex-aluno excitava o campo do estator

com tensões trifásicas equilibradas com o intuito de indu-

zir corrente nas bobinas do rotor. Este, por sua vez, era

acionado por um MCC no sentido oposto ao campo, fa-

zendo com que através dessa diferença, também chamada

de escorregamento, a tensão gerada nas bobinas rotóricas

tivesse frequência duas vezes a nominal da máquina, ou

seja, 120 [Hz]. Nesse caso, o escorregamento era igual a

dois. A figura 5, a seguir, ilustra o esquema montado:

Fig.5 – Esquema realizado pelo Lucas Roman.

O esquema, apesar de abrir oportunidades para novos

estudos, era falho por excitar o MIT pelos terminais do

estator e retirar a tensão pelo rotor. Como dito anterior-

mente, o MIT funciona através de indução magnética,

como um transformador, e o utilizado apresentava relação

de transformação de dez para um (10:1), o que fez com

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que a tensão de saída tivesse amplitude muito inferior à

mínima para o ensaio no transformador. Até foi tentado o

uso de um varivolt para elevar o sinal, porém sem êxito.

A solução foi excitar o campo da armadura do MIT atra-

vés do varivolt para regular a tensão e girar o eixo do

rotor no sentido no mesmo sentido desse campo através

do MCC. Dessa forma, através da soma das velocidades

angulares, o campo produzido apenas pelo rotor já terá

120[Hz] e será induzido no estator, que é a alta da má-

quina, gerando a tensão com frequência e amplitude aptas

ao ensaio de tensão induzida. Nesse arranjo, o escorre-

gamento é 1, podendo-se comparar a máquina a um gera-

dor síncrono. A figura 6 mostra o esquema:

Fig.6 – Esquema realizado atualmente.

O Anexo B mostra a montagem à vazio feita na bancada

do laboratório primeiramente para averiguar o compor-

tamento do esquema sem carga, já o Anexo C mostra a

montagem quando o ensaio de tensão induzida foi propri-

amente feito.

No anexo é possível ver os principais equipamentos utili-

zados, sendo:

- motor de corrente contínua,

- motor de indução com rotor bobinado,

- reostato de partida e de campo,

- varivolt,

- voltímetro,

- frequencímetro,

- amperímetro,

- multímetro,

- osciloscópio,

-disjuntor.

As experiências prosseguiram da seguinte forma:

- foi usado um reostato de partida de 22[ohms] no MCC

para regular sua corrente de partida, logo após atingir

uma velocidade considerável o reostato foi curto-

circuitado.

- a velocidade necessária de 1800 [rpm], devido ao motor

ter 4 polos, foi obtida ajustando a resistência de campo e

consequentemente o fluxo de campo.

- foi então verificada a frequência no frequencímetro, em

casos onde o campo e o eixo do rotor giravam em senti-

dos opostos a frequência lida era zero, como o esperado.

- por fim, regulou-se o varivolt afim de se conseguir a

frequência e a amplitude desejadas. Quando a saída do

varivolt era muito baixa, a frequência de saída no MIT

era influenciada.

- na segunda montagem, foi colocado um disjuntor a

montante do transformador para proteção e também para

facilitar a contagem do tempo e chaveamento do proces-

so.

Vale ressaltar que na ligação feita, o MIT gera tensões até

440 [V], porém, ainda existe a ligação até 760 [V], como

indicado na Fig.7:

Fig.7 – Possíveis saídas do MIT.

IV – RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Fig.8 e Fig.9 mostram, respectivamente, a saída no

acionamento à vazio e com carga:

Fig.8 – Saída obtida no ensaio a vazio.

Fig.9 – Saída obtida no ensaio com carga

É possível perceber em ambos os casos que a frequência

e amplitude necessários para o ensaio foram obtidos. No

segundo caso, a tensão utilizada tinha 1,5 [pu] da tensão

nominal, esta foi a recomendação do orientador Ângelo

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Rezek devido à idade avançada do transformador utiliza-

do.

Nos gráficos apresentados, o sinal em amarelo é a tensão

e o verde diz respeito à corrente. É visível a distorção no

sinal do ensaio à plena carga. Isso se deve por duas ra-

zões:

- transformadores por natureza são injetores de harmôni-

cos, então já eram esperadas interferências harmônicas.

- as potências das máquinas envolvidas em questão estão

mal dimensionadas. O transformador é de potência nomi-

nal 15 [kVA], o MCC é de 2 [kW] e o MIT possui 2,25

[kW]. Ou seja, a potência do transformador é maior do

que das máquinas que estão acionando-o, o que reflete

em distorções de sinal.

Após o ensaio feito foi concluído que o transformador

não apresentava problemas na isolação entre espiras.

V – CONCLUSÃO

É possível dizer que o arranjo foi um sucesso, A tensão

de saída foi satisfatória e o ensaio no transformador foi

feito.

Além disso, o aprendizado quanto ao funcionamento das

máquinas e suas aplicações foi imenso. Não menos im-

portante vem a familiarização com o ambiente de pesqui-

sa e laboratório.

Contudo, este trabalho trata-se de uma fase de testes para

que futuramente seja implementada uma bancada na

UNIFEI com a finalidade de se fazer esse teste sempre

que necessário, isso é bom, pois mostra a real utilidade do

trabalho.

REFERÊNCIAS

[1] OLIVEIRA, José Carlos; COGO, João Roberto;

ABREU, José Policarpo G. de transformadores: teoria e

ensaios. São Paulo: Edgar Blucher, 1984.

[2] UMANS, Stephen D.

Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley / Stephen D.

Umans; tradução: Anatólio Laschuk. – 7 ed. Porto Alegre

[3] Associação Brasileira de Normas Técnicas

ABNT; NBR – 5356-1, NBR 5356-3.

[4] Catálogo Siemens, “Motores de Corrente Contínua,

ed: 01.2006” Dísponível em:

https://cdn.hackaday.io/files/9127390489568/Motore

s_CC_ind1.pdf

Acesso em 04 de Novembro de 2016.

[5] Lucas Roman, “Gerador 120 [Hz] baseado em má-

quina de indução rotor bobinado, para aplicação em

ensaios de tensão induzida de transformadores”, Tra-

balho Final de Graduação, UNIFEI, 2015.

BIOGRAFIA: Antônio José Faria Barbosa Júnior Nasceu em São José dos Campos

(SP), em 1990. Estudou em São José

dos Campos, tendo recebido o título

de Técnico em Eletrônica na Escola

Técnica Professor Everardo Passos –

ETEP. Ingressou na UNIFEI em

2009 no curso de Engenharia Elétri-

ca, foi membro do projeto especial

Cheetah e-racing de Fórmula SAE de 2012 a 2014.

Anexos

Anexo A – Tipos de acionamento de Corrente Contínua.

Anexo B – Montagem à vazio

Anexo C – Montagem à plena carga

Anexo D – Leitura da tensão de excitação do rotor do MIT, saída do varivolt.

Anexo E – Chapa com os parâmetros do MCC

Anexo F – Chapa com os parâmetros do MIT

Anexo G – Chapa com os parâmetros de saída do Transformador