Fabio soares marcelo carvalho da rosa renato zelak agottani



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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA

ÊNFASE ELETROTÉCNICA

FABIO SOARES

MARCELO CARVALHO DA ROSA

RENATO ZELAK AGOTTANI

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ALIMENTADO POR UM TRANSFORMADOR MONOFÁSICO COM O SECUNDÁRIO COM “CENTER TAP”.

CURITIBA

2011

FABIO SOARES

MARCELO CARVALHO DA ROSA

RENATO ZELAK AGOTTANI

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ALIMENTADO POR UM TRANSFORMADOR MONOFÁSICO COM O SECUNDÁRIO COM “CENTER TAP”.

Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Projeto Final II, do curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Antonio Ivan Bastos Sobrinho, Esp. Eng.
Coorientador: Prof. Dr. Antonio Carlos Pinho, Eng.




CURITIBA

2011

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela saúde, sabedoria e harmonia da equipe.

A nosso orientador Professor Antonio Ivan Bastos Sobrinho pelo suporte dado e confiança na equipe.

Ao Professor Dr. Antonio Carlos Pinho por ter nos ajudados e colaborado com nossas pesquisas, além de ter sido o co-orientador deste projeto.

Aos colegas Natalia Janaina Candido e Diego de Paula por terem auxiliado com idéias e fornecimento de materiais pertinentes.

Ao grupo de engenheiros da Eletromotores WEG SA, que nos forneceram dados relevantes dos motores, possibilitando a realização do trabalho.

Aos nossos familiares, por sempre acreditarem no nosso sucesso.




RESUMO

O objetivo deste trabalho é simular o comportamento das grandezas eletromagnéticas ocorridas no rotor e no estator de um motor trifásico, quando ligado erroneamente diretamente a um transformador de uso rural monofásico 13.8 kV / 220 V. Ligações sem as proteções necessárias, como será realizado nesta tese, tanto para o motor quanto para o transformador, ocorrem constantemente na região rural, na maioria das vezes por falta de conhecimento e informações. As simulações serão realizadas no programa EFCAD, ferramenta computacional em plataforma 2D, que a partir de pontos inseridos para especificar o dimensionamento de máquinas elétricas, neste caso, do motor trifásico 380 / 220 V, e dados construtivos do mesmo, será possível realizar as simulações necessárias para concluirmos o que efetivamente ocorre com o motor ao final da experiência com a análise dos campos eletromagnéticos produzidos. Lembrando que o experimento não será realizado na prática para comprovar os valores simulados devido a possível danificação dos aparelhos elétricos que estarão sendo utilizados e a integridade física dos executantes, pois não estará sendo utilizado nenhum tipo de proteção contra curto circuito, falta de fase e outros para o motor.


Palavras-chave: Motor trifásico, EFCAD, transformador monofásico rural, simulação.

ABSTRACT

The objective of this study is to simulate the behavior of electromagnetic quantities occurring in the rotor and stator of an AC engine, when connected erroneously directly to a rural single-phase transformer 13.8 kV / 220 V. Connections without the necessary protections, as will be done in this thesis, for both, engine and transformer, are constantly occurring in rural area, mostly due to lack of knowledge and information. The simulations will be performed in the computer tool EFCAD, with a platform 2D, from the points inserted to specify the design of electrical machines, in this case, the three-phase engine 380/220 V, and data building, you can perform the simulations necessary to conclude what actually happens to the engine to the end of the experiment with analysis of electromagnetic fields produced. Remembering that the experiment will not be realized in practice to prove the simulated values, due to possible damage to electrical appliances that are being used and the physical integrity of the performers, it is not being used any protection against short circuit, phase loss and others to the engine.


Key-words: Three-phase Engine, EFCAD, rural single-phase transformer, simulation.

LISTA DE FIGURAS



Figura 1 - Transformador elementar. 23

Figura 2 - Transformador monofásico ideal com carga indutiva aplicada no secundário. 24

Figura 3 -Diagrama fasorial do transformador ideal com carga indutiva. 25

Figura 4 - Transformador monofásico real com carga indutiva aplicada no secundário. 27

Figura 5 - Diagrama fasorial do transformador real com carga indutiva. 29

Figura 6 - Dados de placa do transformador. 30

Figura 7 - Esquema de ligação dos terminais do transformador. 31

Figura 8 - Transformador monofásico rural. 31

Figura 9 - Classificação dos motores CA.
Fonte: Franchi (2007, p. 20). 32


Figura 10 - Imagem ilustrativa de um motor de indução. 33

Figura 11 - Chapa do estator e detalhe. 34

Figura 12 - Estator bobinado. 34

Figura 13 - Chapa do rotor tipo gaiola de esquilo. 35

Figura 14 - Rotor tipo gaiola de esquilo. 35

Figura 15 - Circuito equivalente de um motor por fase. 38

Figura 16 - Circuito equivalente do estator. 38

Figura 17 - Circuito equivalente rotor 39

Figura 18 - Circuito equivalente do motor. 39

Figura 19 - Circuito equivalente do motor. 40

Figura 20 - Placa de um motor trifásico. 41

Figura 21 - Ligação em estrela 380 V. 42

Figura 22 - Ligação em triângulo 220 V. 42

Figura 23 - Campo girante motor. 44

Figura 24 - Onda de corrente da alimentação trifásica. 45

Figura 25 - Campos girantes em instantes diferentes. 46

Figura 26 - Torque pulsante equivalente. 47

Figura 27 - Ligação elétrica do motor trifásico simulado. 48

Figura 28 - Motor com falta de fase ligado em estrela 49

Figura 29 - Motor com falta de fase ligado em triângulo 49

Figura 30 - Desenho do motor no programa EFD. 52

Figura 31 - Detalhe do desenho do motor no programa EFD. 52

Figura 32 - Detalhe das alterações feitas no motor. 53

Figura 33 - Malha de elementos finitos. 54

Figura 34 - Esquema de bobinamento do motor. 55

Figura 35 - Características do motor para ensaio. 56

Figura 36 - Curva B x H 57

Figura 37 - Características do motor para ensaio 58

Figura 38 - Forma de onda da tensão alternada de 220 V. 59

Figura 39 - Forma de onda da corrente e seus valores no tempo. 59

Figura 40 - Valores de torque ao longo do entreferro. 60

Figura 41 - Densidade de fluxo magnético em 2ms. 61

Figura 42 - Densidade de fluxo magnético em 4ms. 61

Figura 43 - Densidade de fluxo magnético em 6ms. 62

Figura 44 - Densidade de fluxo magnético em 8ms. 62

Figura 45 - Densidade de fluxo magnético em 10ms. 63

Figura 46 - Densidade de fluxo magnético em 12ms. 63

Figura 47 - Densidade de fluxo magnético em 14ms. 64

Figura 48 - Densidade de fluxo magnético em 16ms. 64

Figura 49 - Formato de onda da tensão na fase 1. 65

Figura 50 - Formato de onda da tensão na fase 3. 65

Figura 51 - Formato de onda da corrente na fase 1. 66

Figura 52 - Formato de onda da corrente na fase 3. 66

Figura 53 - Valores de torque ao longo do entreferro. 67

Figura 54 - Densidade de fluxo magnético em 2ms. 68

Figura 55 - Densidade de fluxo magnético em 4ms. 68

Figura 56 - Densidade de fluxo magnético em 6ms. 69

Figura 57 - Densidade de fluxo magnético em 8ms. 69

Figura 58 - Densidade de fluxo magnético em 10ms. 70

Figura 59 - Densidade de fluxo magnético em 12ms. 70

Figura 60 - Densidade de fluxo magnético em 14ms. 71

Figura 61 - Densidade de fluxo magnético em 16ms. 71



LISTA DE TABELAS



Tabela 1 - Lista de dados do motor. 43

Tabela 2 - Valores de torque ao longo do tempo 60

Tabela 3 - Valores de torque no tempo. 67



LISTA DE SÍMBOLOS


N1

Número de espiras do enrolamento primário

N2

Número de espiras do enrolamento secundário

kt

Relação de transformação teórica ou de espiras

E1

Força eletromotriz sobre o enrolamento primário

E2

Força contra eletromotriz induzida no enrolamento secundário

V1

Tensão primária da fonte

V2

Tensão sobre a carga no secundário

I0

Corrente requerida a vazio no primário

IHF

Parcela da corrente a vazio que representa as perdas ôhmicas no núcleo por histerese e Foucault

Im

Componente magnetizante da corrente a vazio

m

Fluxo magnetizante no núcleo

2

Fluxo gerado pela corrente no enrolamento secundário

I2

Corrente secundária requerida pela carga

I1

Corrente secundária requerida pela carga referida por indução ao primário

I1

Corrente total no primário

1

Fluxo gerado pela corrente no enrolamento primário

r1

Resistência de dispersão das N1 espiras do enrolamento primário

r2

Resistência de dispersão das N2 espiras do enrolamento secundário

x1

Reatância de dispersão das N1 espiras do enrolamento primário

x2

Reatância de dispersão das N2 espiras do enrolamento secundário

z1

Impedância de dispersão das N1 espiras do enrolamento primário

z2

Impedância de dispersão das N2 espiras do enrolamento secundário

rHF

Resistência que representa as perdas ôhmicas por histerese e Foucault no núcleo

xm

Reatância magnetizante do núcleo

gHF

Condutância do núcleo

bm

Susceptância do núcleo

z

Impedância de dispersão do núcleo

y

Admitância do núcleo

zL

Impedância da carga

kplaca

Relação de transformação de placa

kp

Relação de transformação prática

I.zL

Queda de tensão no enrolamento devido à sua impedância

I.xL

Queda de tensão no enrolamento devido à sua reatância

I.rL

Queda de tensão no enrolamento devido à sua resistência

θ2

Ângulo da carga

cos θ2

Fator de potência da carga

θ0

Ângulo do transformador a vazio

cos θ0

Fator de potência do transformador a vazio

θ1

Ângulo do primário

cos θ1

s

f



Ns

N



Fator de potência do primário

Escorregamento

Frequência

Velocidade sincrona

Velocidade




SUMÁRIO


INTRODUÇÃO 13

1.1 TEMA DE PESQUISA 13

1.1.1 Aspectos Gerais 13

1.1.2 Aspectos Específicos 13

1.2 PREMISSAS E PROBLEMA DE PESQUISA 13

1.3 OBJETIVOS 14

1.3.1 Objetivo Geral 14

1.3.2 Objetivos Específicos 14

1.4 JUSTIFICATIVA 15

1.5 METODOLOGIA DA PESQUISA 15

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO 16

PROGRAMA COMPUTACIONAL EFCAD 17

1.6.1 EFD – Desenho do Domínio 18

1.6.2 EFM – Definição das Características Físicas 18

1.6.3 EFCV 19

1.6.4 EFGN – Gráfico Numérico 20

TRANSFORMADOR MONOFÁSICO 21

1.7 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS 22

1.7.1 Análise do Transformador Monofásico Ideal com Carga Indutiva Aplicada no Secundário 23

1.7.2 Análise do Transformador Monofásico Real com Carga Indutiva Aplicada no Secundário 26

1.8 O TRANSFORMADOR MONOFÁSICO RURAL COM TAP NO SECUNDÁRIO 30

Motores trifásicos 32

4.1Estator 34

4.2Rotor 35

4.3Funcionamento 36

4.4Circuito equivalente 37

4.5Ligação dos motores trifásicos 40

4.6CAMPO GIRANTe do motor trifásico 44

4.7campo pulsante do motor monofásico 47

4.8Hipóteses com falta de uma fase 48

Simulação no EFCAD 51

1.9 Desenho - EFD 51

1.10 Calculo de elementos finitos – EFM 54

1.10.1 Bobinamento 55



1.11 Calculo aplicação – EFCT 56

1.12 Curva b X h 57

analise de resultados 58

1.13 Simulação com ligação trifásica 58

1.14 Simulação com ligação monofásica 65

Conclusão 72

1.15 Sugestões para trabalhos futuros 73

REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA: 74


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