TLME-2.3 MÁQUINAS ELÉCTRICAS II. Motor Síncrono Trifásico sincronização e arranque. no laboratório. 1. Introdução

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1 ÁQINS ELÉCTRICS II TLE ** 2001 / 2002 ** SE FEP LEEC TLE-2.3 otor Síncrono Trifásico sincronização e arranque 1. Introdução s máquinas eléctricas síncronas têm funcionamento reversível podendo trabalhar como gerador ou como motor. Para trabalharem como motor têm de estar ligadas a uma rede eléctrica, que s alimentará em energia. ligação de uma máquina síncrona trifásica à rede eléctrica geral obedece a um conjunto de condições de ligação (condições de sincronismo das fases): igualdade da amplitude das tensões nos terminais de ligação; igualdade de frequência dos dois sistemas de tensão; igualdade de ordem de sucessão de fases. No momento da ligação à rede a máquina não funciona como gerador nem como motor. Se se aumentar a velocidade da máquina primária, aumentar-se-á a potência fornecida à máquina síncrona e esta funcionará como gerador. Se, em seguida se alterar o valor da corrente eléctrica de excitação do gerador, a máquina síncrona fornecerá (sobre-excitada), ou consumirá (sub-excitada), energia reactiva. Se se diminuir a velocidade da máquina primária, a máquina síncrona passará a funcionar como motor. Se, então, estiver sobre-excitada o motor síncrono fornecerá, à rede, energia reactiva; se a máquina síncrona estiver sub-excitada o motor consumirá energia reactiva da rede eléctrica. Quando a máquina síncrona é, apenas, utilizada como gerador (ou receptor) de energia reactiva, sendo o seu consumo (ou produção) de energia activa nulo (desprezando a energia consumida em perdas) diz-se que a máquina síncrona funciona como compensador síncrono. N. B. Este trabalho necessita de uma preparação prévia à sua execução no laboratório. 2. Objectivos O objectivo deste trabalho de Laboratório é o domínio de uma conjunto de operações e de técnicas necessárias à condução da máquina síncrona: sincronização, paralelo com a rede eléctrica, arranque como motor. 3. Bibliografia [CCC 1] Carlos Castro Carvalho; áquinas Síncronas, 1971 [B_FEP] anuel az Guedes; áquinas Eléctricas Síncronas arranque dos motores síncronos, FEP Kostenko L Piotrosvky; áquinas Eléctricas, ol. II. G. Say; lternating Current achines, Pitman, 1976 anuel az Guedes, 2002

2 4. Trabalho a Efectuar 4.1. aterial Necessário TLE Grupo otor de Indução áquina Síncrona Rectificador Ondulador oltímetro C mperímetro C Osciloscópio 3 oltímetros C Frequêncimetro Estroboscópio 4.2. ontagem Geral T I aq. Síncrona 1 2 T I Sincronização.1. ontagem a Realizar limentar o motor de indução com rotor bobinado pelo estator através do ondulador. limentar o circuito de excitação da máquina síncrona com o rectificador. aq. Síncrona f Efectuar as montagens necessárias para utilizar os diversos métodos de condução da máquina síncrona até à sincronização com a rede eléctrica geral: efeito estroboscópico, lâmpadas de sincronização, medida das grandezas eléctricas (tensão; frequência). a utilizar o efeito estroboscópico para colocar o grupo de máquinas rodando à velocidade de sincronismo das fases; er o pêndice LE estroboscopia b experimentar as duas ligações de lâmpadas para detectar a ordem de sucessão das fases e definir o momento em que os dois sistemas de tensão estão em fase; er o pêndice LE sincronização c medir do valor da amplitude da força electromotriz (tensão em vazio) e da frequência da máquina síncrona e da amplitude da tensão da rede eléctrica geral. d definir o momento de sincronismo das fases entre a máquina síncrona e a rede eléctrica geral. anuel az Guedes, 2002

3 TLE Com a aparelhagem de medida e de indicação disponível Colocar o reóstato de excitação no ponto de resistência máxima. Chamar o docente para verificação Provocar o arranque do motor de indução trifásico. Colocar o grupo a rodar à velocidade de sincronismo aproveitando o efeito estroboscópico Ligar o circuito de excitação do alternador. Elevar o valor da tensão de saída até à tensão nominal da rede eléctrica. utilizar a montagem com três lâmpadas erificar que as três lâmpadas têm o comportamento inerente à situação da montagem R feita e a uma sucessão correcta das três fases S se isso não se verificar, trocar duas fases. o acender e apagar das lâmpadas deve ser lento T Regular a velocidade do motor de forma a que a frequência da tensão do alternador coincida com a frequência da rede erificar que estão correctas todas as condições de sincronismo entre a máquina síncrona e a rede geral Tomar nota da informação relevante?1 Quais são as grandezas físicas cujo valor condiciona a segurança desta experiência (ou a a qualidade de serviço da instalação eléctrica)? Qual o valor limite para essas grandezas??2 Servindo-se da estrela de fasores das tensões de um sistema trifásico, explique justificando, a condição de sincronismo de fases entre um alternador síncrono e uma rede eléctrica.?3 presentar um ante-projecto e uma memória descritiva de uma pequena instalação de sincronização do alternador trifásico utilizando um sincronoscópio. presentar um guia com as operações de colocação em paralelo do alternador com a rede com o auxílio do sincronoscópio, destinado a ser utilizado por um montador electricista. Paralelo com a Rede Eléctrica Com a experiência adquirida na realização da parte deste trabalho de laboratório actuar no interruptor no momento oportuno para realizar o paralelo da máquina síncrona com a rede eléctrica. Chamar o docente para acompanhamento do restante trabalho erificar o valor da tensão. Reverificar as condições para efectuar o paralelo Quando as lâmpadas se apagarem ligar o alternador à rede Tomar nota do valor da corrente eléctrica de excitação Diminuir a tensão no ondulador Desligar o ondulador lterargrdl e CIDDOSENTE o valor da corrente de excitação da máquina síncrona, a funcionar como compensador síncrono. ) tilizar o efeito estroboscópico para verificar o ângulo de carga δ. Reduzir a excitação e desligar a máquina síncrona da rede eléctrica geral. anuel az Guedes, 2002

4 TLE-2.3 4?4 presente um esquema de medida a aplicar neste trabalho de laboratório B para poder verificar o fluxo da energia reactiva entre o compensador síncrono e a rede eléctrica. Justifique. er o pêndice LE Sistemas trifásicos medida de potência?5 Justificar como a máquina eléctrica síncrona, funcionando como compensador síncrono, integrada numa rede eléctrica pode contribuir para a regulação da tensão dessa rede.?6 presentar o ante-projecto de um sistema automático de sincronização, analógico ou digital, realçando o seu princípio de funcionamento. (Sug.: consulte os fabricantes ou revendedores) rranque do otor Síncrono m motor síncrono trifásico, devido às suas características específicas que resultam das suas particularidades construtivas, apresenta problemas quando tem de passar do estado de repouso ao funcionamento em velocidade de regime durante o arranque. o longo do tempo e para as diversas situações de aplicação do motor síncrono têm sido utilizados vários métodos de arranque, que habitualmente são agrupados nas seguintes possibilidades: arranque com motor auxiliar síncrono, ou por variação de frequência assíncrono Na realização laboratorial dos diferentes métodos de arranque apenas interessa a condução do motor síncrono à situação de sincronismo das fases com a rede eléctrica geral, não se chegando a efectuar a ligação da máquina síncrona à rede eléctrica geral. rranque com otor uxiliar Será utilizado como motor auxiliar um motor de indução trifásico com rotor bobinado alimentado por um ondulador. C 1.1. ontagem a Realizar otor Síncrono f Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes. ~ anter a anterior montagem B Com a aparelhagem de medida disponível Chamar o docente para verificação Elevar LENT e GRDLENTE a tensão e a frequência do ondulador para provocar o arranque do motor de indução trifásico Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes Note que o motor auxiliar pode conduzir o motor síncrono a uma velocidade ligeiramente inferior anuel az Guedes, 2002

5 TLE à do sincronismo, ou pode conduzir o motor síncrono a uma velocidade ligeiramente superior à do sincronismo. ssim: C1. a velocidade ligeiramente inferior à do sincronismo (hiposincronismo) a essa velocidade liga-se o enrolamento estatórico do motor síncrono à rede eléctrica geral, e só depois se promove a excitação do motor síncrono (o que se traduz por uma sobrintensidade de corrente que se atenuará em dois ou três ciclos). C1. b velocidade ligeiramente superior à do sincronismo (hipersincronismo) a essa velocidade desliga-se o motor auxiliar da rede; espera-se que velocidade decaia até à velocidade de sincronismo; liga-se o enrolamento estatórico do motor síncrono à rede eléctrica geral, e só depois se promove a excitação do motor síncrono. Diminuir a tensão no ondulador Desligar a alimentação do circuito?7 Qual o parâmetro construtivo do motor de indução trifásico que condiciona a existência de uma situação de velocidade ligeiramente inferior à velocidade de sincronismo ou ligeiramente superior à velocidade de sincronismo??8 Depois do arranque, o motor auxiliar fica ligado mecanicamente à máquina síncrona. Quais as considerações, omissas neste texto, que se podem fazer sobre as soluções a adoptar para esse problema? Justifique.?9 Para utilizar uma máquina eléctrica (motor síncrono) necessita de ter uma outra máquina eléctrica (motor auxiliar). presente uma análise, baseada em critérios económicos, sobre a aplicabilidade do método de arranque do motor síncrono com motor auxiliar. rranque Síncrono ou por ariação de Frequência O motor síncrono será alimentado por um ondulador, variando-se a amplitude e a frequência da tensão de alimentação. C 2.1. ontagem a Realizar otor Síncrono Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes, {quais?}. ~ lterar a anterior montagem C. 1 Com a aparelhagem de medida disponível Chamar o docente para verificação promover a excitação do motor síncrono Elevar LENT e GRDLENTE a tensão e a frequência do ondulador para provocar o arranque do motor síncrono trifásico o iniciar o trabalho com uma frequência de 1% da frequência nominal anuel az Guedes, 2002

6 TLE o actuando na excitação da máquina síncrona, evitar que o fluxo magnético e a tensão tomem valores inadmissíveis o evitar que o motor perca o sincronismo durante operação de elevação da frequência Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes Note que o motor síncrono roda em sincronismo com a frequência da corrente alternada de alimentação fornecida pelo ondulador. Quando a frequência nominal é atingida, actua-se na excitação do motor síncrono e eleva-se a tensão estatórica até ao valor nominal, efectuando-se depois a manobra de confirmação da sincronização e de estabelecimento do paralelo com a rede eléctrica geral. O arranque síncrono ou por variação de frequência é muito suave e não implica a ocorrência de sobrintensidades. maior dificuldade com este tipo de arranque, consiste no necessidade de o motor síncrono desenvolver nos primeiros momentos do arranque (0+) um binário (de relutância) suficiente para iniciar o movimento de rotação do motor e da carga mecânica ligada (bomba hidráulica).?10 Justifique que o arranque síncrono, tal como foi realizado no Laboratório, podia ser realizado utilizando como gerador na alimentação outra máquina síncrona. Relacione a potência desse alternador com a potência do motor a arrancar (razão das potências).?11 Justifique a seguinte frase: Como o motor síncrono, ainda parado, já está excitado, surge um binário electromecânico que é de aceleração durante um semi-período e de frenagem no semi-período seguinte. Para que a velocidade da máquina possa aumentar, da situação de parada até à de velocidade nominal, a energia cinética necessária à roda polar deve ser transmitida à máquina durante o semi-período acelerador. rranque ssíncrono O motor síncrono de pólos salientes irá funcionar como um motor de indução (aproveitamento do binário assíncrono) servindo os elementos do rotor enrolamentos indutor, enrolamento amortecedor, peças ferromagnéticas maciças ou enrolamento específico como circuito secundário rotórico. penas o circuito indutor serve de circuito secundário no motor síncrono utilizado no Laboratório CIDDO! C 3.1. ontagem a Realizar otor Síncrono resistência elevada eléctrica Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes, {quais?}. ~ lterar a anterior montagem C. 2 Com a aparelhagem de medida disponível Chamar o docente para verificação curto-circuitar os terminais de entrada do circuito indutor do motor anuel az Guedes, 2002

7 TLE síncrono com uma resistência eléctrica elevada Elevar LENT e GRDLENTE a tensão e a frequência do ondulador para provocar o arranque do motor síncrono trifásico como motor de indução o iniciar o trabalho com uma frequência de 1% da frequência nominal Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes Note que o motor síncrono tende (pequeno deslizamento) a rodar à velocidade de sincronismo associada a cada valor da frequência variável da corrente alternada de alimentação. Quando a velocidade nominal é atingida, altera-se o circuito eléctrico indutor do motor síncrono retirando a resistência eléctrica e ligando-o à alimentação, depois eleva-se a tensão até ao valor nominal, efectuando-se depois a manobra de confirmação da sincronização e de estabelecimento do paralelo com a rede eléctrica geral.?12 Justifique que no arranque assíncrono podia suceder que, estando uma carga mecânica de valor elevado ligada ao motor, o arranque só ocorreria até um deslizamento s = 0,07 e a partir desse ponto a velocidade não aumentaria mais, acabando o grupo por não atingir a velocidade de sincronismo.?13 Considerando a impedância nominal do motor síncrono Z n n =, e as diversas 3 I n reactâncias reduzidas a essa base, justificar a solução de colocação de uma bobina (com reactância reduzida xb), em série com a rede eléctrica de alimentação (com reactância reduzida xr), atendendo a que a máquina eléctrica tem uma reactância reduzida de arranque xa. r x r I x B ~ Quando realmente se utiliza uma bobina de arranque, terminado o arranque, o que se deve fazer à bobina? Justifique. (Note que em lugar de uma bobina de arranque real, a reactância xb pode representar a reactância dos condutores de ligação e do transformador de alimentação do motor síncrono) TLE-2.3 Resenha Histórica O aproveitamento hidroeléctrico do lto Rabagão (concelho de ontalegre; região do Barroso) foi o primeiro aproveitamento português construído com o objectivo principal de regularização interanual, armazenando da água nos anos de abundância para aproveitá-la na produção de energia eléctrica nos anos de seca. Projectado em 1958, entrando em serviço em 1964, foi dotado com dois grupos ternários máquina síncrona turbina bomba de eixo vertical, com sentido único de rotação, destinados a elevar água para a albufeira a montante (10 km x 2 km; 1ooo milhões de kh) a partir da albufeira da barragem da enda Nova imediatamente a jusante do ponto de restituição. Nos grupos ternários de máquinas hidroeléctricas, as bombas são rapidamente acopláveis aos veios dos grupos, por intermédio de sistemas de embraiagem. s características de cada máquina são: LTERNDOR/OTOR 45 ; 10 k; 50 Hz; 428 rot/min potência absorvida na bombagem = 63 TRBIN 50 ooo C; 428 rot/min; 49 m3/s [170 m de queda útil] BOB 43ooo C; 428 rot/min; 37 m3/s [140 m de elevação] TRNSFORDOR TRIFÁSICO 45 ; 10/165 k G anuel az Guedes, 2002