BANCADA DIDÁTICA DE CARGAS MECÂNICAS APLICADA EM MITACIONADO POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA
FELIPPE DOS S. E SILVA*,VANDEIR P.MARINS*,CÁSSIO A. DE OLIVEIRA*,ELVIS L.R.SILVA*,DARIZON A. DE
ANDRADE*,LUCIANO C.GOMES*,AUGUSTO W.FLEURY*,KLEIBER D.RODRIGUES*.
*Laboratório de Acionamentos Elétricos, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia
Av. João Naves de Ávila 2121 - Campus Santa Mônica - CX 593 - Uberlândia - MG - CEP 38408-100 E-mails: felippe26@gmail.com, vandeirmarins@yahoo.com.br, kass-07@hotmail.com,
elvislrs@gmail.com, darizon.andrade@gmail.com, lcgomes2005@gmail.com, augustofleury@eletrica.ufu.br
Abstract This paper presents the development of a learning platform for testing of rotating electrical machines. The project consists of the implementation and instrumentation of a mechanical bench for testing electrical machines with power of up to 5 hp. The developed platform allows user interaction, gradual and assisted in all stages, ie, from the choice of the electric machine to the experimental verification of the dynamic behavior of the tested machine. With this stand it is possible to perform relevant tests to determine the performance of electric motors, such as measuring voltages and stator currents, speed, torque and power on to the motor shaft, beyond the curves of torque and current versus speed, power and efficiency versus applied load factor. Processing of information obtained (measures), uses a data acquisition system controlled by an application developed specifical-ly for this work in graphical programming "LabVIEW™" language. The study was conducted in steps that were performed ac-cording to the following description: literature review study of NBR 5383-1/2002, study and simulation of induction motors, physical design of the stand for testing, specification of sensors and equipment, assembly of stand testing and implementation of the testing manager application.
Keywords Didactic tools, Test stand, Three Phase Induction Motor.
Resumo Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de uma plataforma didática para ensaios de máquinas elétricas giran-tes. O projeto consiste na implementação e automação de uma bancada mecânica para ensaios de máquinas elétricas com potên-cia de até 5cv. A plataforma desenvolvida permite uma interação do usuário, gradual e assistida, em todos os estágios dos ensai-os, ou seja, desde a escolha do tipo da máquina elétrica até a verificação experimental do comportamento dinâmico da máquina ensaiada. Com esta bancada é possível a realização de testes relevantes para determinação de desempenho dos motores elétricos, como a medição de tensões e correntes de estator, velocidade, conjugado e potência no eixo da máquina ensaiada, além da ob-tenção das curvas de conjugado e corrente versus velocidade, fator de potência e rendimento versus carga aplicada. Para acio-namento e processamento de informações obtidas (mensuradas), utiliza-se um sistema de aquisição de dados controlado por um aplicativo desenvolvido especificamente para este trabalho na linguagem de programação gráfica ―LabVIEW™‖. O trabalho foi desenvolvido nas seguintes etapas: levantamento bibliográfico, estudo da Norma NBR 5383-1/2002, estudo e simulação dos mo-tores de indução trifásicos, projeto físico da bancada para ensaios, especificação dos sensores e equipamentos, montagem da bancada de ensaios e implementação do aplicativo gerenciador dos ensaios.
Palavras-chave Ferramentas Didáticas, Bancada de Ensaios, Motor de Indução Trifásico.
1 Introdução
As máquinas elétricas são elementos fundamen-tais na conversão eletromecânica de energia, seja na geração elétrica (geradores) ou nas aplicações em acionamentos elétricos (motores), constituindo-se assim em agentes causadores de desenvolvimento tecnológico e propiciadores de conforto à sociedade.
O motor de indução trifásico (MIT) apresenta-se atualmente como a melhor opção para acionamentos controlados, pois possui vantagens sobre o motor de corrente contínua, dentre elas a inexistência do comu-tador (Castro, 2014).
Em aplicações destes tipos de máquinas no setor industrial brasileiro que consome em cerca de 40% da energia elétrica do país, 2/3 dessa energia é utili-zada em sistemas motrizes (Eletrobrás, 2013).
Assim, as normas relativas à especificação e terminologia das máquinas elétricas girantes bem como a norma de ensaio de MITs, são definidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
que publicou a norma NBR 5383-1/2002, que especi-fica os ensaios para determinação das características de desempenho destes motores de indução trifásico.
A norma NBR 5383-1/2002 estabelece ensaios para motores acionados com tensões trifásicas senoi-dais, entretanto a realidade do mercado exige que o seu acionamento, principalmente em velocidades variáveis, sejam realizados através de inversores de frequência. Neste caso, a alimentação do motor passa aser não senoidal através de modulação por largura de pulso (PWM).
Com este intuito, os cursos de Engenharia Elétri-ca busElétri-cam aprimorar a formação dos estudantes por intermédio de mudanças curriculares e motivação, empregando aplicações práticas que lhes permitam desenvolver capacidade de medição e análise de sis-temas reais. Desta forma, foi elaborado o projeto de uma bancada de ensaios de máquinas elétricas que permite realizar uma série de testes a fim de se de-terminar os parâmetros mecânicos e elétricos das máquinas ensaiadas e verificar o seu comportamento dinâmico quando alimentadas por fontes senoidais e não senoidais.
2 Descrição do Sistema
A bancada possibilita a realização dos testes re-levantes para determinação do desempenho dos MITs. Desta forma, é possível realizar a medição da tensão e corrente aplicadas nas bobinas do estator, velocidade e conjugado.
Nela é permitido também a determinação da po-tência ativa de entrada, popo-tência no eixo, obtenção das curvas de conjugado sob diferentes condições de funcionamento e curvas do fator de potência e rendi-mento com a máquina sendo acionada em regime não senoidal.
A bancada de ensaios de MITs é composta por elementos identificados a seguir:
2.1 A Base Estrutural Metálica e Proteção elétrica. A base estrutural metálica foi projetada para en-saios de motores com potência de até 5cv com diver-sos tipos de carcaças, uma vez que ela permite o ajus-te de posicionamento do motor sob ajus-tesajus-te de acordo com o seu tamanho. A base estrutural foi montada com chapas de aço carbono com espessura de 1/2‖ (meia polegada) de forma a reduzir a vibração do sistema quando em funcionamento. A bancada permi-te a conexão dos eixos das máquinas com diferenpermi-tes alturas por meio de uma plataforma móvel regulada onde a máquina sob teste está fixada.
A estrutura possui uma base de borracha ajustá-vel para um melhor alinhamento com o piso, de
for-PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS CONVERSOR DE FREQUÊNCIA SENSOR HALL TENSÃO E CORRENTE CARGA RESISTIVA 3kW CONVERSOR CA-CC V/I V/I V/I V/I motor Comunicação ModBus Velocidade RPM Torque
V/I Carga Resistiva
V/I 440V Transformador 1:2 12kVA 220V - 3ϕ 220V - 3ϕ 0-10Vcc COMPUTADOR PESSOAL
Figura 1. Diagrama de blocos do sistema da bancada de ensaio de máquinas elétricas.
• Base estrutural metálica; • Placa de aquisição de dados; • Conversor de frequência; • Conversor CA-CC; • Fontes de alimentação; • Transdutor de efeito Hall; • Transdutor de conjugado; • Encoder incremental;
• Máquina de corrente contínua de 4,5cv; • Motor de indução de 3cv;
• Microcomputador.
A figura 1 apresenta o diagrama funcional dos elementos citados que compõem a bancada de ensai-os de máquinas elétricas.
ma a compensar pequenos desníveis, assim a conexão dos eixos das máquinas com o transdutor de conjuga-do seja precisa. O projeto da bancada de testes foi desenvolvido usando o software Cad SolidWorks, a figura 2 apresenta o desenho da bancada de testes.
A mesma também possui dois botões de emer-gência que podem ser usados em uma eventual neces-sidade desligando a bancada da rede elétrica instan-taneamente.
Para a proteção foram instalados fusíveis ultrar-rápidos e disjuntores em série com os dos circuitos elétricos e eletrônicos, a fim de proporcionar uma proteção mais eficiente e confiável.
Figura 2. Base estrutural da bancada em chapa de aço carbono 1/2‖ e posição das máquinas elétricas.
A disposição e as informações no painel frontal da bancada foram elaboradas de forma didática, onde o estudante poderá encontrar com facilidade as in-formações necessárias no momento dos testes e en-saios. A figura 3 mostra o painel frontal de comando da bancada.
Figura 3. Painel de comando frontal da bancada de ensaios.
2.2 Gerador Corrente Contínua
Com o avanço no campo da eletrônica em circuitos de grande potência, o conjunto conversor, comando e motor de corrente contínua mostra-se economicamente viável. Os motores de corrente contínua oferecem uma ampla faixa de variação de velocidade sem prejuízos no desempenho da máquina acionada.
Os acionamentos de corrente contínua, compostos por conversores CA/CC e motor, possuem excelentes propriedades técnicas de comando e regulação, garantindo: regulagem precisa de
velocidade, aceleração constante e ampla sob qualquer condição de carga, aceleração e/ou desaceleração controlada e conjugado constante com controle pela armadura (WEG ecatalog, 2014).
A figura 4 apresenta o diagrama esquemático de uma máquina de corrente contínua com excitação independente a máquina CC está operando como gerador com campo alimentado pelo conversor CA-CC alimentando a carga resistiva.
Figura 4. Diagrama esquemático de um motor de corrente contí-nua com excitação independente.
Para relacionar a corrente Ia com a tensão
apli-cada aos terminais da armadura Vaj, a equação (1) é
obtida. ) ( ) ( ) ( ) ( a a j a a sL R s k s V s I (1)
2.3 Motor de Indução Trifásico
O motor de indução trifásico (MIT) é utilizado para converter energia elétrica em energia mecânica Comando Geral Botoeira de Emergência IHM Ra La Vaj Ea Lf Rf Vf Ia If J b T TL ω Encoder Máquina CC Transdutor de Torque Máquina
Sob Teste Plataforma Móvel Pés de Borracha Ajustáveis Estrutura Metálica Painel de Comando
R1 R’2 Rm jXm V1 jX1 jX’2 s s R'2.(1) CA CA Motor 3ϕ VRede VPWM Imotor Conversor Estático Indireto de Frequência Entrada Tensão e Freq. Fixas Saída Tensão e Freq. Variáveis IRede motriz, ou seja, existe transferência de potência
atra-vés dessa máquina.
O MIT é constituído substancialmente de uma parte fixa, à qual se dá o nome de estator, sendo este formado por chapas ferromagnéticas, onde se encon-tram três bobinas enroladas, formando um circuito magnético. No meio dessas bobinas é posicionado o rotor, a parte móvel do MIT.
De acordo com Fitzgerald, et al (2006) a relação entre a rotação, a frequência de alimentação, o núme-ro de pólos e o escorregamento de um motor de indu-ção obedecem a equaindu-ção (2):
120 1(1 s)
p f
n (2)
onde: n = velocidade rotação mecânica (RPM), f1 = frequência da rede elétrica, p = número de pólos e s = escorregamento.
O conjugado desenvolvido pelo motor de indu-ção segue a equaindu-ção (3):
Tk1.m.Ir (3) onde: T = conjugado no eixo (N .m), ϕm : fluxo de
magnetização (Wb), Ir : corrente circuito do rotor
(A), k1: constante que depende do material e do pro-jeto da máquina.
Os valores dos parâmetros do circuito elétrico equivalente do MIT podem ser determinados a partir dos ensaios a vazio, de rotor bloqueado e das medi-ções das resistências CC dos enrolamentos do estator. A figura 5 mostra o circuito equivalente monofá-sico para o motor de indução trifámonofá-sico sob teste.
Figura 5. Circuito equivalente monofásico do motor indução.
2.4 Conjunto Conversor de Frequência e Motor de Indução Trifásico.
A utilização de conversores estáticos de frequên-cia atualmente compreende o método mais eficiente para controlar a velocidade dos motores de indução.
Os conversores transformam a tensão da rede, de amplitude e frequência constantes, em uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Variando-se a fre-quência da tensão de alimentação, varia-se também a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidade mecânica de rotação da máquina.
Conversores estáticos indiretos de frequência com tensão imposta PWM são atualmente os equi-pamentos mais empregados para a alimentação de
motores de baixa tensão nas aplicações industriais que requerem variação de velocidade.
A figura 6 mostra o diagrama de blocos que compõe o conjunto conversor e motor de indução trifásico.
Figura 6. Diagrama de blocos do conjunto conversor e motor de indução trifásico.
O motor de indução, quando alimentado por um conversor de frequência PWM, tem seu rendimento diminuído, em relação a um motor alimentado por tensão puramente senoidal, devido ao aumento nas perdas ocasionado pelas correntes harmônicas. Em aplicações de motores de indução de gaiola com con-versores de frequência, porém, deve ser avaliado o rendimento do sistema (conjunto conversor + motor) e não apenas do motor,(WEG Motores, 2006).
2.5 Sensores
Uma placa condicionadora de sinais foi constru-ída para adequar os sinais de corrente e tensão dos motores ensaiados aos níveis nominais da placa de aquisição. A placa é composta por quatro sensores Hall de tensão modelo LV25P e quatro sensores Hall de corrente modelo LA25P da fabricante LEM. Não foi utilizado um transdutor de potência pelo fato de ser possível obter a potência elétrica no motor através de cálculos matemáticos aplicados aos valores instan-tâneos de corrente e tensão obtidos por meio dos ou-tros transdutores hall. Com a placa condicionadora de sinais, é possível a medição de tensões e correntes com terras isoladas eletricamente (LEM – 2006).
2.5.1 Transdutores de Efeito Hall
Os transdutores utilizados convertem um sinal analógico a ser medido em um sinal de tensão tam-bém analógico de amplitude menor para que possa ser digitalizado pela placa de aquisição de dados. Seu princípio de funcionamento está baseado no efeito Hall.
Os valores de tensão e corrente eficazes são cal-culados através da equação (4):
n i i a a K n A 1 2 1 (4)Onde: n = o número de amostras no intervalo de um período; ai = o valor instantâneo da tensão ou
corrente, Ka = fator de escala e A = valor eficaz de
um período de um sinal elétrico.
A potência ativa de entrada do motor sob teste é obtida através do cálculo matemático da potência média, a partir dos valores de tensão e corrente. Pode ser determinada pela equação (5):
n i i i i v Ativa K v Ki n P 1 1 (5)Onde: vi = o valor instantâneo da tensão para
amostragem i aplicada ao motor sob teste, ii = valor
instantâneo da corrente para amostragem i de entrada no motor sob teste, Kv = fator de escala para a tensão, Ki = fator de escala para a corrente.
2.5.2 Transdutor de Conjugado e Velocidade O transdutor de conjugado utilizado é o modelo T22/50NM do fabricante HBM. Este transdutor é capaz de medir conjugado dinâmico e estático. Tem fundo de escala de até 50 N.m. O transdutor necessita de um condicionador de sinais (conversor de fre-quência-tensão), que produz um sinal de tensão CC de –10V a +10V proporcional ao conjugado. A velo-cidade é medida utilizado um encoder com resolução de 600 pulsos por volta.
As equações para o cálculo de conjugado médio e da potência no eixo do motor são dadas pelas equa-ções (6) e (7), respectivamente:
n i i t Médio Kt n T 1 1 (6) ) ( ) ( 1 1 i w n i i t eixo Kt K w n P
(7)Onde: ti é o valor instantâneo do conjugado para
amostragem i, Kt e Kw são fatores de escala, wi é o
valor da velocidade para amostragem i, n = o número de amostras no intervalo de um período.
3 Resultados Experimentais
A NBR5383-1 prescreve os seguintes ensaios para a determinação de características de desempe-nho e conformidade com a NBR 17094: a vazio, ro-tor bloqueado, térmico, de partida, dielétrico, sobre velocidade, nível de ruído, tensão no eixo e vibração.
A tabela 1 apresenta os dados que foram obtidos a partir do ensaio a vazio, sendo que as correntes foram medidas no circuito do estator.
Tabela 1. Medições obtidas a partir do ensaio a vazio.
Outro ensaio realizado é o ensaio em rotor blo-queado. Segundo a Norma NBR 5383-1, este ensaio deve ser realizado para determinação da corrente, conjugado e potência de entrada com rotor bloquea-do. O ensaio consiste em bloquear mecanicamente o eixo do MIT. O motor de indução trifásico é alimen-tado com um valor de tensão suficiente para que se atinja o valor de corrente nominal. A tabela 2 apre-senta os dados do ensaio de rotor bloqueado.
Tabela 2. Medições obtidas do ensaio com rotor bloqueado. Tensão (V) Potência (W) I1 (A) I2 (A) I3 (A) Imed (A) 44,96 348,10 9,02 8,72 8,75 8,67
Vale ressaltar que os parâmetros do circuito equivalente do MIT são calculados por fase, de modo que as leituras de tensão e a média das correntes, bem como de potência, devem ser convertidas para valo-res de fase, de acordo com o tipo de configuração (estrela ou triângulo) efetuada para a realização dos ensaios. Na tabela 3 são apresentados os valores dos parâmetros do circuito equivalente do MIT em estu-do, calculados a partir dos ensaios efetuados.
Tabela 3. Valores dos parâmetros do circuito equivalente do MIT.
Através dos parâmetros do circuito equivalente, é possível levantar por simulação computacional as curvas características típicas do MIT.
Alguns tipos de cargas mecânicas foram simula-dos e dentre elas foi escolhida a carga do tipo quadrá-tica, que são cargas que variam com o quadrado da rotação e são encontradas em aplicações como venti-ladores, centrífugas, exaustores (Neto – 2010).
As curvas de conjugado desenvolvido e conjuga-do de carga quadrática ambos em função da veloci-dade são mostrados na figura 8.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 5 6 7 Velocidade do Rotor (rpm) C o n ju g a d o ( N .m )
Figura 8 - Curva de carga quadrática comparada e curva do con-jugado do motor de indução trifásico.
Tensão (V) Potência (W) I1 (A) I2 (A) I3 (A) RPM 220 311 4,40 4,38 4,49 3598 R1(Ω) X1(Ω) Rm(Ω) Xm(Ω) R’2(Ω) X’2(Ω) 2,86 3,84 1066,5 81,66 1,77 3,84 Curva de carga tipo quadrática Curva de conjugado do MIT
Para validar a eficiência da bancada de testes em máquinas elétricas foi escolhido um MIT como sendo a máquina sob teste e na tabela 4 as especificações de placa desta máquina são mostradas:
Tabela 4. Dados de placa do motor sob teste.
nica é inserida em seu eixo por meio da máquina primária utilizando-se do controle de conjugado onde o tipo de carga é selecionado. Nesta aba observa-se que houve uma inserção de carga no eixo do MIT do tipo quadrática, assim o controle de conjugado da máquina primária foi incrementado e a carga resistiva conectada em série com a armadura e o conversor CA-CC passou a dissipar energia térmica. Este con-trole de acionamento independe das abas de visuali-
Figura 9. Primeira aba de controle e visualização dos dados obtidos no ensaio.
Para melhor visualização e análise dos dados, foi criado uma interface gráfica composta por duas tab controls (abas) onde os sinais de tensão e corrente trifásico no conjunto conversor e motor, tensão e corrente na carga podem ser visualizadas na primeira aba. A Figura 9 mostra a instrumentação virtual im-plementada, aqui podemos analisar as formas de on-das de tensões e correntes na entrada do inversor e a forma de onda de tensão e corrente na carga.
O controle do acionamento do MIT e o aciona-mento da máquina primária permite que o estudante faça os ajustes de forma sequencial. Primeiramente é feito o acionamento do MIT, onde o sentido de rota-ção é definido e velocidade é ajustada com valor ini-cial em 1000RPM. Neste momento uma carga mecâ-
zação dos dados, permitindo assim que a todo o mo-mento o estudante possa inferir no sistema indepen-dente da aba que está sendo visualizada.
Na segunda aba são visualizadas as potências de entrada no conjunto conversor/motor, potência de saída no eixo do MIT, o gráfico do rendimento per-centual do conjunto conversor/motor, a velocidade do eixo do MIT em rotações por minuto e os valores eficazes de tensão e correntes do sistema calculados de acordo com a equação (4).
Na figura 10, a segunda aba é mostrada e nota-se que no momento da inserção de carga o valor inicial do conjugado da máquina sob teste era de 1,39N.m onde este conjugado é o mínimo valor para que o grupo se mantivesse em movimento a vazio.
kW Hz RPM V(V) I(A) η% FP 2,2 60 3450 380 4,8 81,9 0,84 Curva de corrente na carga Curva de tensão na carga
Figura 10. Segunda aba de controle e visualização dos dados obtidos no ensaio.
Assim que a carga foi incrementada de forma quadrática, o valor do conjugado aumentou para 3,68N.m operando a uma velocidade de 3354 RPM e nesta mesma aba são verificadas os valores das po-tencias elétricas e mecânicas.
A figura 11 mostra a bancada de ensaios de má-quinas elétricas desenvolvida com os elementos elé-tricos e eletrônicos já instalados.
Figura 11. Foto da bancada de ensaios de máquinas elétricas.
O valor registrado da eficiência do conjunto conversor/motor é de 73,81%, sendo que em condi-ções nominais (dados de fabricante) o valor típico para esta máquina é de 81,9%. Esta diferença se deve ao fato do MIT estar operando alimentado por uma fonte não senoidal evidenciando a queda do rendi-mento. Estes dados estão disponíveis no painel fron-tal da bancada que dispõe de um monitor de LCD conectado ao computador e também de uma interface homem máquina (IHM) que permite o monitoramen-to dos parâmetros do inversor de frequência.
4 Conclusões
O presente trabalho apresentou uma bancada di-dática de testes para motores de indução trifásicos de potência até 5cv.
Com vistas à padronização dos testes nos moto-res de indução trifásicos, procurou-se ter como orien-tação as recomendações da NBR 5383-1, publicada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas.
A implementação da bancada didática possibilita além de realizar testes com motores elétricos de in-dução trifásicos, como também familiarizar-se com algumas das ferramentas computacionais utilizadas
Carga mecânica Quadrática 1,39N.m 3,68N.m Curva do Rendimento 40,34% 73,81%
na engenharia elétrica contemporânea, sendo possível executar vários testes com modificações simples, pois a grande importância de se usar o LabView como ferramenta de instrumentação virtual é que possibilita a eliminação de muitos instrumentos de medidas, tais como: osciloscópios, multímetros, wattímetros, anali-sadores de energia, etc. E com isso uma redução de custos operacionais. Esta opção deve ser incentivada, a fim de ajudar a uma melhor compreensão das má-quinas elétricas e as técnicas de medição.
Esta bancada de testes proporciona o trabalho em grupo, que é de suma importância, com uma qua-lidade desejável durante a realização de ensaios, pre-parando os futuros engenheiros para trabalhos em equipe. A utilização da bancada pode potencializar o aprendizado multidisciplinar do estudante, uma vez que leva em conta conteúdos de várias disciplinas, como: Linguagem de Programação, Máquinas Elétri-cas e Conversão de Energia, Eletrônica Digital, Ele-trônica Analógica, EleEle-trônica de Potência e Instru-mentação Industrial.
Agradecimentos
Agradecemos a Fundação de Amparo a Pesquisa do estado de Minas Gerais – FAPEMIG pelo fomen-to do projefomen-to número: APQ-04453-10, a CAPES pelo apoio indispensável e também a FEELT-UFU que viabilizou o projeto.
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