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Engenharia Elétrica ·
Máquinas Elétricas
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Próreitoria de EaD e CCDD 1 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Atividade Prática de Máquinas Elétricas OBJETIVO Desenvolver o raciocínio na resolução de problemas envolvendo Máquinas Elétricas e apresentar os cálculos que mostrar a solução dos problemas MATERIAL UTILIZADO A Atividade Prática de Máquinas Elétricas deverá ser desenvolvida com base no material da Rota de Aprendizagem e nos livros indicados nas Bibliografias Básica e Complementar cujos livros estão disponíveis nas Bibliotecas Virtuais Pearson e Minha Biblioteca ORIENTAÇÕES PARA A ENTREGA ATENÇÃO Utilize três casas decimais na resolução dos exercícios Todos os exercícios devem ser entregues manuscritos Todos os cálculos devem ser apresentados de maneira organizada e com letra legível INTRODUÇÃO As máquinas elétricas são uma parte indispensável do sistema elétrico de potência e das instalações elétricas industriais Elas estão presentes no sistema de geração com os geradores síncronos no sistema de transmissão com transformadores trifásicos no sistema de distribuição também com transformadores e nos consumidores industriais principalmente na forma de motores elétricos trifásicos e de corrente contínua Assim é de extrema importância que o funcionamento destas máquinas seja entendido na sua forma plena sabendo como determinar características de operação a partir de dados de ensaios parâmetros de circuitos equivalente entre outras situações A partir de agora será abordada a importância de cada máquina elétrica Os transformadores monofásicos são dispositivos utilizados em sistemas elétricos de pequena potência em comparação aos transformadores trifásicos Entretanto o seu estudo e compreensão é o que possui uma das maiores importâncias se não a maior Porque é com o transformador monofásico que se conhecem os conceitos de conversão de energia de tensão induzida as não idealidades existentes nos enrolamentos e no núcleo de máquinas elétricas além de mostrar como os ensaios a vazio e a plena carga são realizados e os cálculos Próreitoria de EaD e CCDD 2 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas que podem ser desenvolvidos com eles Nos transformadores trifásicos são aplicados todos os conhecimentos estudados nos transformadores monofásicos Porém devem ser levados em consideração as particularidades dos sistemas trifásicos Nisso estão envolvidos os diferentes tipos de ligação existentes conceitos de tensão e corrente de fase e de linha e potência trifásica Como os transformadores trifásicos são destinados à aplicação em sistemas de alta potência é comum utilizar o paralelismo de transformadores e para isso se deve conhecer todos os requisitos que devem ser atendidos para que este tipo de ligação seja possível Esta aplicação está presente no sistema de transmissão e distribuição de energia e também nas subestações de grandes consumidores industriais Entrando no ramo industrial a maior parte da carga das industriais é devido a máquinas que operam a partir de motores elétricos portanto para o sistema elétrica a carga efetiva são os motores trifásicos São eles que influenciam no fator de potência visto pela concessionária são eles que devem ser dimensionados adequadamente Sendo assim é imprescindível saber como os motores elétricos principalmente os trifásicos funcionam Por isso o estudo do circuito equivalente escorregamento fator de potência campo magnético girante ensaios a vazio e com rotor bloqueado torque e rendimento por exemplo são tão relevantes Ainda falando em cargas industriais aplicações específicas podem requisitar o uso de motores de corrente contínua E como é estudado na disciplina de Máquinas Elétricas há diferentes formas de ligação de motores de corrente contínua e cada uma delas possui características próprias de operação e um comportamento particular frente a variações de carga Por esse motivo é de extrema importância que estas características e particularidades sejam estudadas e compreendidas Mas tudo isso só é possível devido ao sistema de geração de energia Obviamente que atualmente há uma contribuição significativa dos sistemas de energia alternativa principalmente energia eólica e fotovoltaica mas a grande parcela da energia gerada é devida as grandes usinas termoelétricas e hidroelétricas E estas usinas operam com geradores síncronos de polos lisos e polos salientes respectivamente Na maior parte do tempo estas máquinas operam com velocidade constante devido a atuação dos reguladores de velocidade e é necessário que elas disponibilizem tensão nominal nos seus terminais Por isso o estudo destas máquinas em regime permanente e o entendimento de como elas funcionam é indispensável para o engenheiro eletricista Próreitoria de EaD e CCDD 3 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Considerando a importância das máquinas elétricas encontre a resposta para os exercícios a seguir 1 Em uma situação prática a única forma de medir diretamente a relação de transformação de um transformador é medir diretamente a tensão da fonte de alimentação e a tensão aplicada sobre a carga Entretanto esta relação de transformação pode ser determinada a partir do conhecimento de dados de ensaios realizados no transformador considere que são dados de ensaio de um transformador monofásico de 10000VA 380220V temperatura de trabalho referente a classe de isolamento B 130ºC Enrolamento Corrente A Tensão aplicada V Potência W Temperatura Ambiente ºC AT aberto 273 220 270 25º BT curto circuitado 2632 152 250 25º Colocando este transformador em operação como abaixador de tensão e alimentando carga nominal indutiva com fator de potência de 095 determine Fonte Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos a A regulação de tensão percentual quando a tensão nominal está sendo aplicada à carga b O rendimento do transformador na temperatura de regime c A relação de transformação prática para carga com tensão nominal 2 São dados de placa de um transformador monofásico 25kVA 13800220V impedância percentual de 45 a 70ºC Se o ângulo interno do transformador é 55º e o transformador tem enrolamentos de cobre calcule o valor da potência consumida pelos enrolamentos no ensaio a plena carga a uma temperatura de 25ºC sabendo que a corrente medida foi de 23A Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos Próreitoria de EaD e CCDD 4 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 3 Os terminais de alta tensão de um banco de transformadores monofásicos estão ligados a um sistema trifásico com tensão de 69 kV Os terminais da baixa tensão deste banco estão ligados a uma subestação de 3 MVA por uma linha trifásica de tensão de 138 kV Especificar os valores das tensões e das correntes de linha e de fase em ambos os lados e cada um dos transformadores monofásicos do banco diante das seguintes combinações de ligações nele adotadas Enrolamentos de alta tensão ligados em Y e de baixa tensão ligados em Δ a Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT b Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT c Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT d Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT e Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT f Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT g Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT h Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Enrolamentos de alta tensão ligados em Δ e de baixa tensão ligados em Y i Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT j Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT k Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT l Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT m Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT n Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT o Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT p Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT 4 Em sistemas de potência a tensão gerada tem seu valor elevado para a interligação com o sistema elétrico transmitida em tensões maiores do que as geradas e posteriormente rebaixadas para o uso dos consumidores Entretanto entre a elevação e o rebaixamento da tensão pode haver grandes consumidores que devem ser atendidos em alta tensão Um exemplo disso é o circuito da figura a seguir onde a carga B possui uma potência de 8 MVA com fator de potência de 098 capacitivo a carga C possui uma potência de 10 MVA com fator de potência de 087 indutivo e a carga A possui uma potência de 5 MVA com fator de potência de 099 indutivo Próreitoria de EaD e CCDD 5 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Com base nestas informações determine o valor da potência aparente trifásica fornecida pelo gerador e o fator de potência com que ele opera 5 Um motor de indução trifásico de 8 polos 60 Hz 2300 V gira em vazio com a tensão e frequência nominais e solicita uma corrente de 18 A e uma potência de entrada de 12kW dos quais 15 são perdas mecânicas O estator está conectado em Y e sua resistência é de 05 Ω A resistência do rotor r2 é 03 Ω por fase Também x1 x2 075 Ω por fase O motor gira com um escorregamento de 25 quando está entregando potência a carga Para esta condição determine o torque desenvolvido na saída do motor 6 O circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser utilizado para determinar características de operação do motor Conhecendo o valor dos parâmetros do circuito equivalente é possível determinar a corrente absorvida da fonte e o fator de potência da entrada e também o rendimento do motor com o auxílio do conhecimento dos valores das potências internas Com base neste contexto considere um motor de indução conectado em Y de seis polos 20 HP 220 V 60 Hz que possui os seguintes parâmetros por fase r1 018 Ω r2 011 Ω x1 x2 0543 Ω rc 200 Ω e xc 12 Ω As perdas rotacionais são iguais as perdas no núcleo do estator Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Para um escorregamento de 4 determine a A potência de entrada do motor b O rendimento do motor c As perdas no cobre do rotor e do estator d O torque necessário para suprir as perdas rotacionais Próreitoria de EaD e CCDD 6 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 7 Um gerador síncrono de polos salientes trifásico conectado em Y 220 V 5 kVA é empregado para fornecer potência a uma carga com fator de potência de 08 adiantado Por meio de um teste de escorregamento a reatância síncrona de eixo direto é determinada como sendo 12 Ω e a reatância de eixo em quadratura 7 Ω Considere que a corrente nominal é entregue à carga na tensão nominal e que a resistência de armadura é desprezível DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Com base nas informações do texto determinar a tensão de excitação do gerador 8 Um gerador síncrono de polos lisos trifásico conectado em Y 14000V 40000kVA tem resistência de armadura desprezível e uma reatância de dispersão de 01 Ω por fase Outros dados pertinentes são os seguintes Característica de curtocircuito Ia 7If Linha do entreferro em volts por fase E 33If Característica de circuito aberto por fase E 21300If 430If A equação para característica de circuito aberto não é válida para valores de If próximos da origem Para uma tensão terminal constante de 14000V de linha calcule a variação do módulo da corrente de campo de em vazio a plena carga para uma carga com fator de potência de 08 indutivo Use o método geral de análise nãolinear DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Recomendase utilizar três casas decimais nos cálculos 9 O motor de corrente contínua série nunca deve ser energizado com tensão nominal sem carga aplicada ao eixo Isso porque o fluxo magnético gerado no enrolamento de campo série é muito pequeno o que fará com que a armadura do motor atinja velocidades muito acima da nominal Sendo assim considere um motor série de 100 HP 300 V 1200 rpm solicita uma corrente da rede de 120 A para saída nominal As resistências dos enrolamentos de armadura e de campo série são de 012 Ω e 009 Ω respectivamente Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Determine a redução percentual do torque desenvolvido na armadura do motor e a elevação percentual da velocidade da armadura quando a corrente da armadura é reduzida para 82 A Próreitoria de EaD e CCDD 7 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 10 Um motor em derivação de 10 HP 200 V 1350 rpm tem uma resistência de armadura de 016 Ω Em determinada condição de operação o motor absorve da fonte de alimentação 8 kW O enrolamento de campo tem uma resistência de 80 Ω Desprezando o efeito da desmagnetização da força magneto matriz da armadura determine a velocidade do motor quando o motor desenvolve um torque de 27 Nm Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Próreitoria de EaD e CCDD 1 Atividade Prática de Máquinas Elétricas OBJETIVO Desenvolver o raciocínio na resolução de problemas envolvendo Máquinas Elétricas e apresentar os cálculos que mostrar a solução dos problemas MATERIAL UTILIZADO A Atividade Prática de Máquinas Elétricas deverá ser desenvolvida com base no material da Rota de Aprendizagem e nos livros indicados nas Bibliografias Básica e Complementar cujos livros estão disponíveis nas Bibliotecas Virtuais Pearson e Minha Biblioteca ORIENTAÇÕES PARA A ENTREGA ATENÇÃO Utilize três casas decimais na resolução dos exercícios Todos os exercícios devem ser entregues manuscritos Todos os cálculos devem ser apresentados de maneira organizada e com letra legível INTRODUÇÃO As máquinas elétricas são uma parte indispensável do sistema elétrico de potência e das instalações elétricas industriais Elas estão presentes no sistema de geração com os geradores síncronos no sistema de transmissão com transformadores trifásicos no sistema de distribuição também com transformadores e nos consumidores industriais principalmente na forma de motores elétricos trifásicos e de corrente contínua Assim é de extrema importância que o funcionamento destas máquinas seja entendido na sua forma plena sabendo como determinar características de operação a partir de dados de ensaios parâmetros de circuitos equivalente entre outras situações A partir de agora será abordada a importância de cada máquina elétrica Os transformadores monofásicos são dispositivos utilizados em sistemas elétricos de pequena potência em comparação aos transformadores trifásicos Entretanto o seu estudo e compreensão é o que possui uma das maiores importâncias se não a maior Porque é com o transformador monofásico que se conhecem os conceitos de conversão de energia de tensão induzida as não idealidades existentes nos enrolamentos e no núcleo de máquinas elétricas além de mostrar como os ensaios a vazio e a plena carga são realizados e os cálculos Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 2 que podem ser desenvolvidos com eles Nos transformadores trifásicos são aplicados todos os conhecimentos estudados nos transformadores monofásicos Porém devem ser levados em consideração as particularidades dos sistemas trifásicos Nisso estão envolvidos os diferentes tipos de ligação existentes conceitos de tensão e corrente de fase e de linha e potência trifásica Como os transformadores trifásicos são destinados à aplicação em sistemas de alta potência é comum utilizar o paralelismo de transformadores e para isso se deve conhecer todos os requisitos que devem ser atendidos para que este tipo de ligação seja possível Esta aplicação está presente no sistema de transmissão e distribuição de energia e também nas subestações de grandes consumidores industriais Entrando no ramo industrial a maior parte da carga das industriais é devido a máquinas que operam a partir de motores elétricos portanto para o sistema elétrica a carga efetiva são os motores trifásicos São eles que influenciam no fator de potência visto pela concessionária são eles que devem ser dimensionados adequadamente Sendo assim é imprescindível saber como os motores elétricos principalmente os trifásicos funcionam Por isso o estudo do circuito equivalente escorregamento fator de potência campo magnético girante ensaios a vazio e com rotor bloqueado torque e rendimento por exemplo são tão relevantes Ainda falando em cargas industriais aplicações específicas podem requisitar o uso de motores de corrente contínua E como é estudado na disciplina de Máquinas Elétricas há diferentes formas de ligação de motores de corrente contínua e cada uma delas possui características próprias de operação e um comportamento particular frente a variações de carga Por esse motivo é de extrema importância que estas características e particularidades sejam estudadas e compreendidas Mas tudo isso só é possível devido ao sistema de geração de energia Obviamente que atualmente há uma contribuição significativa dos sistemas de energia alternativa principalmente energia eólica e fotovoltaica mas a grande parcela da energia gerada é devida as grandes usinas termoelétricas e hidroelétricas E estas usinas operam com geradores síncronos de polos lisos e polos salientes respectivamente Na maior parte do tempo estas máquinas operam com velocidade constante devido a atuação dos reguladores de velocidade e é necessário que elas disponibilizem tensão nominal nos seus terminais Por isso o estudo destas máquinas em regime permanente e o entendimento de como elas funcionam é indispensável para o engenheiro eletricista Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Considerando a importância das máquinas elétricas encontre a resposta para os exercícios a seguir 1 Em uma situação prática a única forma de medir diretamente a relação de transformação de um transformador é medir diretamente a tensão da fonte de alimentação e a tensão aplicada sobre a carga Entretanto esta relação de transformação pode ser determinada a partir do conhecimento de dados de ensaios realizados no transformador considere que são dados de ensaio de um transformador monofásico de 10000VA 380220V temperatura de trabalho referente a classe de isolamento B 130ºC Enrolamento Corrente A Tensão aplicada V Potência W Temperatura Ambiente ºC AT aberto 273 220 270 25º BT curto circuitado 2632 152 250 25º Colocando este transformador em operação como abaixador de tensão e alimentando carga nominal indutiva com fator de potência de 095 determine Fonte Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos a A regulação de tensão percentual quando a tensão nominal está sendo aplicada à carga Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 4 b O rendimento do transformador na temperatura de regime c A relação de transformação prática para carga com tensão nominal Próreitoria de EaD e CCDD 5 2 São dados de placa de um transformador monofásico 25kVA 13800220V impedância percentual de 45 a 70ºC Se o ângulo interno do transformador é 55º e o transformador tem enrolamentos de cobre calcule o valor da potência consumida pelos enrolamentos no ensaio a plena carga a uma temperatura de 25ºC sabendo que a corrente medida foi de 23A Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos Próreitoria de EaD e CCDD 6 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 3 Os terminais de alta tensão de um banco de transformadores monofásicos estão ligados a um sistema trifásico com tensão de 69 kV Os terminais da baixa tensão deste banco estão ligados a uma subestação de 3 MVA por uma linha trifásica de tensão de 138 kV Especificar os valores das tensões e das correntes de linha e de fase em ambos os lados e cada um dos transformadores monofásicos do banco diante das seguintes combinações de ligações nele adotadas Enrolamentos de alta tensão ligados em Y e de baixa tensão ligados em Δ a Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT b Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT c Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT d Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT e Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT f Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT Próreitoria de EaD e CCDD 7 g Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT h Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Enrolamentos de alta tensão ligados em Δ e de baixa tensão ligados em Y i Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT j Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT k Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT l Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT m Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT n Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT Próreitoria de EaD e CCDD 8 o Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT p Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Próreitoria de EaD e CCDD 9 4 Em sistemas de potência a tensão gerada tem seu valor elevado para a interligação com o sistema elétrico transmitida em tensões maiores do que as geradas e posteriormente rebaixadas para o uso dos consumidores Entretanto entre a elevação e o rebaixamento da tensão pode haver grandes consumidores que devem ser atendidos em alta tensão Um exemplo disso é o circuito da figura a seguir onde a carga B possui uma potência de 8 MVA com fator de potência de 098 capacitivo a carga C possui uma potência de 10 MVA com fator de potência de 087 indutivo e a carga A possui uma potência de 5 MVA com fator de potência de 099 indutivo Próreitoria de EaD e CCDD 10 Com base nestas informações determine o valor da potência aparente trifásica fornecida pelo gerador e o fator de potência com que ele opera Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 11 5 Um motor de indução trifásico de 8 polos 60 Hz 2300 V gira em vazio com a tensão e frequência nominais e solicita uma corrente de 18 A e uma potência de entrada de 12kW dos quais 15 são perdas mecânicas O estator está conectado em Y e sua resistência é de 05 Ω A resistência do rotor r2 é 03 Ω por fase Também x1 x2 075 Ω por fase O motor gira com um escorregamento de 25 quando está entregando potência a carga Para esta condição determine o torque desenvolvido na saída do motor Próreitoria de EaD e CCDD 12 6 O circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser utilizado para determinar características de operação do motor Conhecendo o valor dos parâmetros do circuito equivalente é possível determinar a corrente absorvida da fonte e o fator de potência da entrada e também o rendimento do motor com o auxílio do conhecimento dos valores das potências internas Com base neste contexto considere um motor de indução conectado em Y de seis polos 20 HP 220 V 60 Hz que possui os seguintes parâmetros por fase r1 018 Ω r2 011 Ω x1 x2 0543 Ω rc 200 Ω e xc 12 Ω As perdas rotacionais são iguais as perdas no núcleo do estator Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Para um escorregamento de 4 determine a A potência de entrada do motor b O rendimento do motor Próreitoria de EaD e CCDD 13 c As perdas no cobre do rotor e do estator d O torque necessário para suprir as perdas rotacionais Próreitoria de EaD e CCDD 14 7 Um gerador síncrono de polos salientes trifásico conectado em Y 220 V 5 kVA é empregado para fornecer potência a uma carga com fator de potência de 08 adiantado Por meio de um teste de escorregamento a reatância síncrona de eixo direto é determinada como sendo 12 Ω e a reatância de eixo em quadratura 7 Ω Considere que a corrente nominal é entregue à carga na tensão nominal e que a resistência de armadura é desprezível DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Com base nas informações do texto determinar a tensão de excitação do gerador Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 15 8 Um gerador síncrono de polos lisos trifásico conectado em Y 14000V 40000kVA tem resistência de armadura desprezível e uma reatância de dispersão de 01 Ω por fase Outros dados pertinentes são os seguintes Característica de curtocircuito Ia 7If Linha do entreferro em volts por fase E 33If Característica de circuito aberto por fase E 21300If 430If A equação para característica de circuito aberto não é válida para valores de If próximos da origem Para uma tensão terminal constante de 14000V de linha calcule a variação do módulo da corrente de campo de em vazio a plena carga para uma carga com fator de potência de 08 indutivo Use o método geral de análise nãolinear DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Recomendase utilizar três casas decimais nos cálculos Próreitoria de EaD e CCDD 16 Próreitoria de EaD e CCDD 17 9 O motor de corrente contínua série nunca deve ser energizado com tensão nominal sem carga aplicada ao eixo Isso porque o fluxo magnético gerado no enrolamento de campo série é muito pequeno o que fará com que a armadura do motor atinja velocidades muito acima da nominal Sendo assim considere um motor série de 100 HP 300 V 1200 rpm solicita uma corrente da rede de 120 A para saída nominal As resistências dos enrolamentos de armadura e de campo série são de 012 Ω e 009 Ω respectivamente Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Determine a redução percentual do torque desenvolvido na armadura do motor e a elevação percentual da velocidade da armadura quando a corrente da armadura é reduzida para 82 A Próreitoria de EaD e CCDD 18 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 10 Um motor em derivação de 10 HP 200 V 1350 rpm tem uma resistência de armadura de 016 Ω Em determinada condição de operação o motor absorve da fonte de alimentação 8 kW O enrolamento de campo tem uma resistência de 80 Ω Desprezando o efeito da desmagnetização da força magneto matriz da armadura determine a 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partir de motores elétricos portanto para o sistema elétrica a carga efetiva são os motores trifásicos São eles que influenciam no fator de potência visto pela concessionária são eles que devem ser dimensionados adequadamente Sendo assim é imprescindível saber como os motores elétricos principalmente os trifásicos funcionam Por isso o estudo do circuito equivalente escorregamento fator de potência campo magnético girante ensaios a vazio e com rotor bloqueado torque e rendimento por exemplo são tão relevantes Ainda falando em cargas industriais aplicações específicas podem requisitar o uso de motores de corrente contínua E como é estudado na disciplina de Máquinas Elétricas há diferentes formas de ligação de motores de corrente contínua e cada uma delas possui características próprias de operação e um comportamento particular frente a variações de carga Por esse motivo é de extrema importância que estas características e particularidades sejam estudadas e compreendidas Mas tudo isso só é possível devido ao sistema de geração de energia Obviamente que atualmente há uma contribuição significativa dos sistemas de energia alternativa principalmente energia eólica e fotovoltaica mas a grande parcela da energia gerada é devida as grandes usinas termoelétricas e hidroelétricas E estas usinas operam com geradores síncronos de polos lisos e polos salientes respectivamente Na maior parte do tempo estas máquinas operam com velocidade constante devido a atuação dos reguladores de velocidade e é necessário que elas disponibilizem tensão nominal nos seus terminais Por isso o estudo destas máquinas em regime permanente e o entendimento de como elas funcionam é indispensável para o engenheiro eletricista Próreitoria de EaD e CCDD 3 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Considerando a importância das máquinas elétricas encontre a resposta para os exercícios a seguir 1 Em uma situação prática a única forma de medir diretamente a relação de transformação de um transformador é medir diretamente a tensão da fonte de alimentação e a tensão aplicada sobre a carga Entretanto esta relação de transformação pode ser determinada a partir do conhecimento de dados de ensaios realizados no transformador considere que são dados de ensaio de um transformador monofásico de 10000VA 380220V temperatura de trabalho referente a classe de isolamento B 130ºC Enrolamento Corrente A Tensão aplicada V Potência W Temperatura Ambiente ºC AT aberto 273 220 270 25º BT curto circuitado 2632 152 250 25º Colocando este transformador em operação como abaixador de tensão e alimentando carga nominal indutiva com fator de potência de 095 determine Fonte Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos a A regulação de tensão percentual quando a tensão nominal está sendo aplicada à carga b O rendimento do transformador na temperatura de regime c A relação de transformação prática para carga com tensão nominal 2 São dados de placa de um transformador monofásico 25kVA 13800220V impedância percentual de 45 a 70ºC Se o ângulo interno do transformador é 55º e o transformador tem enrolamentos de cobre calcule o valor da potência consumida pelos enrolamentos no ensaio a plena carga a uma temperatura de 25ºC sabendo que a corrente medida foi de 23A Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos Próreitoria de EaD e CCDD 4 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 3 Os terminais de alta tensão de um banco de transformadores monofásicos estão ligados a um sistema trifásico com tensão de 69 kV Os terminais da baixa tensão deste banco estão ligados a uma subestação de 3 MVA por uma linha trifásica de tensão de 138 kV Especificar os valores das tensões e das correntes de linha e de fase em ambos os lados e cada um dos transformadores monofásicos do banco diante das seguintes combinações de ligações nele adotadas Enrolamentos de alta tensão ligados em Y e de baixa tensão ligados em Δ a Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT b Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT c Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT d Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT e Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT f Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT g Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT h Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Enrolamentos de alta tensão ligados em Δ e de baixa tensão ligados em Y i Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT j Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT k Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT l Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT m Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT n Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT o Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT p Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT 4 Em sistemas de potência a tensão gerada tem seu valor elevado para a interligação com o sistema elétrico transmitida em tensões maiores do que as geradas e posteriormente rebaixadas para o uso dos consumidores Entretanto entre a elevação e o rebaixamento da tensão pode haver grandes consumidores que devem ser atendidos em alta tensão Um exemplo disso é o circuito da figura a seguir onde a carga B possui uma potência de 8 MVA com fator de potência de 098 capacitivo a carga C possui uma potência de 10 MVA com fator de potência de 087 indutivo e a carga A possui uma potência de 5 MVA com fator de potência de 099 indutivo Próreitoria de EaD e CCDD 5 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Com base nestas informações determine o valor da potência aparente trifásica fornecida pelo gerador e o fator de potência com que ele opera 5 Um motor de indução trifásico de 8 polos 60 Hz 2300 V gira em vazio com a tensão e frequência nominais e solicita uma corrente de 18 A e uma potência de entrada de 12kW dos quais 15 são perdas mecânicas O estator está conectado em Y e sua resistência é de 05 Ω A resistência do rotor r2 é 03 Ω por fase Também x1 x2 075 Ω por fase O motor gira com um escorregamento de 25 quando está entregando potência a carga Para esta condição determine o torque desenvolvido na saída do motor 6 O circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser utilizado para determinar características de operação do motor Conhecendo o valor dos parâmetros do circuito equivalente é possível determinar a corrente absorvida da fonte e o fator de potência da entrada e também o rendimento do motor com o auxílio do conhecimento dos valores das potências internas Com base neste contexto considere um motor de indução conectado em Y de seis polos 20 HP 220 V 60 Hz que possui os seguintes parâmetros por fase r1 018 Ω r2 011 Ω x1 x2 0543 Ω rc 200 Ω e xc 12 Ω As perdas rotacionais são iguais as perdas no núcleo do estator Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Para um escorregamento de 4 determine a A potência de entrada do motor b O rendimento do motor c As perdas no cobre do rotor e do estator d O torque necessário para suprir as perdas rotacionais Próreitoria de EaD e CCDD 6 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 7 Um gerador síncrono de polos salientes trifásico conectado em Y 220 V 5 kVA é empregado para fornecer potência a uma carga com fator de potência de 08 adiantado Por meio de um teste de escorregamento a reatância síncrona de eixo direto é determinada como sendo 12 Ω e a reatância de eixo em quadratura 7 Ω Considere que a corrente nominal é entregue à carga na tensão nominal e que a resistência de armadura é desprezível DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Com base nas informações do texto determinar a tensão de excitação do gerador 8 Um gerador síncrono de polos lisos trifásico conectado em Y 14000V 40000kVA tem resistência de armadura desprezível e uma reatância de dispersão de 01 Ω por fase Outros dados pertinentes são os seguintes Característica de curtocircuito Ia 7If Linha do entreferro em volts por fase E 33If Característica de circuito aberto por fase E 21300If 430If A equação para característica de circuito aberto não é válida para valores de If próximos da origem Para uma tensão terminal constante de 14000V de linha calcule a variação do módulo da corrente de campo de em vazio a plena carga para uma carga com fator de potência de 08 indutivo Use o método geral de análise nãolinear DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Recomendase utilizar três casas decimais nos cálculos 9 O motor de corrente contínua série nunca deve ser energizado com tensão nominal sem carga aplicada ao eixo Isso porque o fluxo magnético gerado no enrolamento de campo série é muito pequeno o que fará com que a armadura do motor atinja velocidades muito acima da nominal Sendo assim considere um motor série de 100 HP 300 V 1200 rpm solicita uma corrente da rede de 120 A para saída nominal As resistências dos enrolamentos de armadura e de campo série são de 012 Ω e 009 Ω respectivamente Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Determine a redução percentual do torque desenvolvido na armadura do motor e a elevação percentual da velocidade da armadura quando a corrente da armadura é reduzida para 82 A Próreitoria de EaD e CCDD 7 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 10 Um motor em derivação de 10 HP 200 V 1350 rpm tem uma resistência de armadura de 016 Ω Em determinada condição de operação o motor absorve da fonte de alimentação 8 kW O enrolamento de campo tem uma resistência de 80 Ω Desprezando o efeito da desmagnetização da força magneto matriz da armadura determine a velocidade do motor quando o motor desenvolve um torque de 27 Nm Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Próreitoria de EaD e CCDD 1 Atividade Prática de Máquinas Elétricas OBJETIVO Desenvolver o raciocínio na resolução de problemas envolvendo Máquinas Elétricas e apresentar os cálculos que mostrar a solução dos problemas MATERIAL UTILIZADO A Atividade Prática de Máquinas Elétricas deverá ser desenvolvida com base no material da Rota de Aprendizagem e nos livros indicados nas Bibliografias Básica e Complementar cujos livros estão disponíveis nas Bibliotecas Virtuais Pearson e Minha Biblioteca ORIENTAÇÕES PARA A ENTREGA ATENÇÃO Utilize três casas decimais na resolução dos exercícios Todos os exercícios devem ser entregues manuscritos Todos os cálculos devem ser apresentados de maneira organizada e com letra legível INTRODUÇÃO As máquinas elétricas são uma parte indispensável do sistema elétrico de potência e das instalações elétricas industriais Elas estão presentes no sistema de geração com os geradores síncronos no sistema de transmissão com transformadores trifásicos no sistema de distribuição também com transformadores e nos consumidores industriais principalmente na forma de motores elétricos trifásicos e de corrente contínua Assim é de extrema importância que o funcionamento destas máquinas seja entendido na sua forma plena sabendo como determinar características de operação a partir de dados de ensaios parâmetros de circuitos equivalente entre outras situações A partir de agora será abordada a importância de cada máquina elétrica Os transformadores monofásicos são dispositivos utilizados em sistemas elétricos de pequena potência em comparação aos transformadores trifásicos Entretanto o seu estudo e compreensão é o que possui uma das maiores importâncias se não a maior Porque é com o transformador monofásico que se conhecem os conceitos de conversão de energia de tensão induzida as não idealidades existentes nos enrolamentos e no núcleo de máquinas elétricas além de mostrar como os ensaios a vazio e a plena carga são realizados e os cálculos Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 2 que podem ser desenvolvidos com eles Nos transformadores trifásicos são aplicados todos os conhecimentos estudados nos transformadores monofásicos Porém devem ser levados em consideração as particularidades dos sistemas trifásicos Nisso estão envolvidos os diferentes tipos de ligação existentes conceitos de tensão e corrente de fase e de linha e potência trifásica Como os transformadores trifásicos são destinados à aplicação em sistemas de alta potência é comum utilizar o paralelismo de transformadores e para isso se deve conhecer todos os requisitos que devem ser atendidos para que este tipo de ligação seja possível Esta aplicação está presente no sistema de transmissão e distribuição de energia e também nas subestações de grandes consumidores industriais Entrando no ramo industrial a maior parte da carga das industriais é devido a máquinas que operam a partir de motores elétricos portanto para o sistema elétrica a carga efetiva são os motores trifásicos São eles que influenciam no fator de potência visto pela concessionária são eles que devem ser dimensionados adequadamente Sendo assim é imprescindível saber como os motores elétricos principalmente os trifásicos funcionam Por isso o estudo do circuito equivalente escorregamento fator de potência campo magnético girante ensaios a vazio e com rotor bloqueado torque e rendimento por exemplo são tão relevantes Ainda falando em cargas industriais aplicações específicas podem requisitar o uso de motores de corrente contínua E como é estudado na disciplina de Máquinas Elétricas há diferentes formas de ligação de motores de corrente contínua e cada uma delas possui características próprias de operação e um comportamento particular frente a variações de carga Por esse motivo é de extrema importância que estas características e particularidades sejam estudadas e compreendidas Mas tudo isso só é possível devido ao sistema de geração de energia Obviamente que atualmente há uma contribuição significativa dos sistemas de energia alternativa principalmente energia eólica e fotovoltaica mas a grande parcela da energia gerada é devida as grandes usinas termoelétricas e hidroelétricas E estas usinas operam com geradores síncronos de polos lisos e polos salientes respectivamente Na maior parte do tempo estas máquinas operam com velocidade constante devido a atuação dos reguladores de velocidade e é necessário que elas disponibilizem tensão nominal nos seus terminais Por isso o estudo destas máquinas em regime permanente e o entendimento de como elas funcionam é indispensável para o engenheiro eletricista Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Considerando a importância das máquinas elétricas encontre a resposta para os exercícios a seguir 1 Em uma situação prática a única forma de medir diretamente a relação de transformação de um transformador é medir diretamente a tensão da fonte de alimentação e a tensão aplicada sobre a carga Entretanto esta relação de transformação pode ser determinada a partir do conhecimento de dados de ensaios realizados no transformador considere que são dados de ensaio de um transformador monofásico de 10000VA 380220V temperatura de trabalho referente a classe de isolamento B 130ºC Enrolamento Corrente A Tensão aplicada V Potência W Temperatura Ambiente ºC AT aberto 273 220 270 25º BT curto circuitado 2632 152 250 25º Colocando este transformador em operação como abaixador de tensão e alimentando carga nominal indutiva com fator de potência de 095 determine Fonte Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos a A regulação de tensão percentual quando a tensão nominal está sendo aplicada à carga Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 4 b O rendimento do transformador na temperatura de regime c A relação de transformação prática para carga com tensão nominal Próreitoria de EaD e CCDD 5 2 São dados de placa de um transformador monofásico 25kVA 13800220V impedância percentual de 45 a 70ºC Se o ângulo interno do transformador é 55º e o transformador tem enrolamentos de cobre calcule o valor da potência consumida pelos enrolamentos no ensaio a plena carga a uma temperatura de 25ºC sabendo que a corrente medida foi de 23A Adaptado de SOBRINHO A I B Apostila de Transformadores Monofásicos Próreitoria de EaD e CCDD 6 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 3 Os terminais de alta tensão de um banco de transformadores monofásicos estão ligados a um sistema trifásico com tensão de 69 kV Os terminais da baixa tensão deste banco estão ligados a uma subestação de 3 MVA por uma linha trifásica de tensão de 138 kV Especificar os valores das tensões e das correntes de linha e de fase em ambos os lados e cada um dos transformadores monofásicos do banco diante das seguintes combinações de ligações nele adotadas Enrolamentos de alta tensão ligados em Y e de baixa tensão ligados em Δ a Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT b Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT c Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT d Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT e Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT f Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT Próreitoria de EaD e CCDD 7 g Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT h Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Enrolamentos de alta tensão ligados em Δ e de baixa tensão ligados em Y i Tensão de linha do lado de alta tensão VLAT j Tensão de fase do lado de alta tensão VFAT k Corrente de linha do lado de alta tensão ILAT l Corrente de fase do lado de alta tensão IFAT m Tensão de linha do lado de baixa tensão VLBT n Tensão de fase do lado de baixa tensão VFBT Próreitoria de EaD e CCDD 8 o Corrente de linha do lado de baixa tensão ILBT p Corrente de fase do lado de baixa tensão IFBT Próreitoria de EaD e CCDD 9 4 Em sistemas de potência a tensão gerada tem seu valor elevado para a interligação com o sistema elétrico transmitida em tensões maiores do que as geradas e posteriormente rebaixadas para o uso dos consumidores Entretanto entre a elevação e o rebaixamento da tensão pode haver grandes consumidores que devem ser atendidos em alta tensão Um exemplo disso é o circuito da figura a seguir onde a carga B possui uma potência de 8 MVA com fator de potência de 098 capacitivo a carga C possui uma potência de 10 MVA com fator de potência de 087 indutivo e a carga A possui uma potência de 5 MVA com fator de potência de 099 indutivo Próreitoria de EaD e CCDD 10 Com base nestas informações determine o valor da potência aparente trifásica fornecida pelo gerador e o fator de potência com que ele opera Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 11 5 Um motor de indução trifásico de 8 polos 60 Hz 2300 V gira em vazio com a tensão e frequência nominais e solicita uma corrente de 18 A e uma potência de entrada de 12kW dos quais 15 são perdas mecânicas O estator está conectado em Y e sua resistência é de 05 Ω A resistência do rotor r2 é 03 Ω por fase Também x1 x2 075 Ω por fase O motor gira com um escorregamento de 25 quando está entregando potência a carga Para esta condição determine o torque desenvolvido na saída do motor Próreitoria de EaD e CCDD 12 6 O circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser utilizado para determinar características de operação do motor Conhecendo o valor dos parâmetros do circuito equivalente é possível determinar a corrente absorvida da fonte e o fator de potência da entrada e também o rendimento do motor com o auxílio do conhecimento dos valores das potências internas Com base neste contexto considere um motor de indução conectado em Y de seis polos 20 HP 220 V 60 Hz que possui os seguintes parâmetros por fase r1 018 Ω r2 011 Ω x1 x2 0543 Ω rc 200 Ω e xc 12 Ω As perdas rotacionais são iguais as perdas no núcleo do estator Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Para um escorregamento de 4 determine a A potência de entrada do motor b O rendimento do motor Próreitoria de EaD e CCDD 13 c As perdas no cobre do rotor e do estator d O torque necessário para suprir as perdas rotacionais Próreitoria de EaD e CCDD 14 7 Um gerador síncrono de polos salientes trifásico conectado em Y 220 V 5 kVA é empregado para fornecer potência a uma carga com fator de potência de 08 adiantado Por meio de um teste de escorregamento a reatância síncrona de eixo direto é determinada como sendo 12 Ω e a reatância de eixo em quadratura 7 Ω Considere que a corrente nominal é entregue à carga na tensão nominal e que a resistência de armadura é desprezível DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Com base nas informações do texto determinar a tensão de excitação do gerador Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas Próreitoria de EaD e CCDD 15 8 Um gerador síncrono de polos lisos trifásico conectado em Y 14000V 40000kVA tem resistência de armadura desprezível e uma reatância de dispersão de 01 Ω por fase Outros dados pertinentes são os seguintes Característica de curtocircuito Ia 7If Linha do entreferro em volts por fase E 33If Característica de circuito aberto por fase E 21300If 430If A equação para característica de circuito aberto não é válida para valores de If próximos da origem Para uma tensão terminal constante de 14000V de linha calcule a variação do módulo da corrente de campo de em vazio a plena carga para uma carga com fator de potência de 08 indutivo Use o método geral de análise nãolinear DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Recomendase utilizar três casas decimais nos cálculos Próreitoria de EaD e CCDD 16 Próreitoria de EaD e CCDD 17 9 O motor de corrente contínua série nunca deve ser energizado com tensão nominal sem carga aplicada ao eixo Isso porque o fluxo magnético gerado no enrolamento de campo série é muito pequeno o que fará com que a armadura do motor atinja velocidades muito acima da nominal Sendo assim considere um motor série de 100 HP 300 V 1200 rpm solicita uma corrente da rede de 120 A para saída nominal As resistências dos enrolamentos de armadura e de campo série são de 012 Ω e 009 Ω respectivamente Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994 Determine a redução percentual do torque desenvolvido na armadura do motor e a elevação percentual da velocidade da armadura quando a corrente da armadura é reduzida para 82 A Próreitoria de EaD e CCDD 18 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof Msc Samuel Polato Ribas 10 Um motor em derivação de 10 HP 200 V 1350 rpm tem uma resistência de armadura de 016 Ω Em determinada condição de operação o motor absorve da fonte de alimentação 8 kW O enrolamento de campo tem uma resistência de 80 Ω Desprezando o efeito da desmagnetização da força magneto matriz da armadura determine a velocidade do motor quando o motor desenvolve um torque de 27 Nm Adaptado de DEL TORO Vincent Fundamentos de Máquinas Elétricas 1 ed Rio de Janeiro LTC 1994