EEE462 Laboratório de Máquinas Elétricas

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1 EEE462 Laboratório de Máquinas Elétricas Instalação do rotor de uma das 20 unidades geradoras da UHE Itaipu, m de diâmetro, 1760 toneladas 78 polos, 737 MVA Apostila do Aluno Edição

2 Introdução A disciplina de Laboratório de Máquinas Elétricas tem o objetivo de complementar o aprendizado da disciplina teórica de Máquinas Elétricas, da graduação em Engenharia Elétrica. Para isso, as instalações do laboratório contam com um acervo de máquinas de corrente contínua e alternada instaladas em bancadas instrumentadas para a medição de seus diversos parâmetros. O interessante deste laboratório é que ele pode dar ao aluno um sentimento sobre a operação de máquinas que vai além dos livros. Tamanho, velocidade e potência; como se apresenta a saturação do núcleo ou a reação de armadura em números e gráficos que eles mesmos poderão medir e construir; ou de onde vêm os parâmetros utilizados na modelagem em circuitos elétricos equivalentes. As práticas apresentadas nesta apostila foram, inicialmente, propostas pelo professor Heloi Moreira e, posteriormente, aprimoradas pelos professores Sandoval Carneiro Jr., Richard M. Stephan, Antonio Carlos Ferreira e Juan Carlos Mateus. Ao assumir a disciplina em , aproveitando o momento de modernização e manutenção profundas nas instalações do laboratório, resolvi revisar novamente a apostila, tentando trazer inovações nas experiências, revisando a formatação e procurando modernizar a metodologia de avaliação, especialmente com relação aos Trabalhos Preparatórios. Para isso, contei com a valiosa ajuda do Prof. Elkin Rodriguez e do técnico Sérgio Ferreira, que me acompanharam em toda a preparação do curso, a quem agradeço muito. Espero, nesses breves 2 anos de atuação como Professor Substituto do DEE, poder ter trazido uma renovação à disciplina, que na época da graduação esteve entre as minhas preferidas, deixando um material mais completo para uso futuro. Flávio Goulart dos Reis Martins 2

3 AULA PRÁTICA 1 GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA (EXCITAÇÃO INDEPENDENTE) 1. OBJETIVOS 1.1. Levantar a Curva de Magnetização do Gerador CC; 1.2. Levantar a curva característica do Gerador CC para diferentes níveis de carga; 1.3. Analisar a regulação de tensão do gerador CC. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Os diferentes tipos de excitação das máquinas CC, seus circuitos equivalentes e equações de malha; - Auto-excitação (o que é e quais causas podem impedir o processo); - Curva Tensão vs Corrente terminais de geradores CC em diferentes tipos de ligação; - Reação de Armadura (causa, consequências e soluções); - Regulação de tensão; 2.2. Preparar a tabela para a experiência conforme o modelo: Resistência de Armadura V I Curva de Magnetização E a I F Curva de Carga V A I A I F EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Antes de partir as máquinas, desconecte a alimentação da armadura da Máquina CC, conecte a alimentação do circuito de campo nos terminais da sua armadura e faça um levantamento de tensão x corrente para determinar a resistência da armadura fria Operação do Grupo Motor Síncrono-Gerador CC (MS-GCC): 1) Dê a partida no grupo com a máquina síncrona atuando como motor (MS). A alimentação do campo deve estar desligada, de forma que a máquina saia da inércia através dos enrolamentos amortecedores. Uma vez acelerada, acione a alimentação do campo para fazer a sincronização. 3

4 2) Acione a Máquina CC como gerador (GCC) de excitação independente em vazio. Aumente gradativamente a corrente de campo, anotando os valores de tensão induzida (E a) em função desta corrente (I F). 3) Altere o acionamento de campo do GCC para derivação. Insira cargas gradativamente, compensando no reostato de campo, até obter tensão nominal e corrente nominal. Em seguida, sem alterar o reostato de campo do gerador, varie a carga anotando os valores de tensão de armadura (V A), corrente de armadura (I A) e corrente de campo (I F) do gerador Desligue as máquinas e refaça o levantamento de tensão x corrente para determinar a resistência da armadura quente. 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3.2.Assinale todos os pontos que você considerou relevantes Trace a curva de magnetização do GCC para a velocidade nominal Calcule a resistência de armadura do GCC Trace a Curva de Carga do GCC. Identifique e explique a reação de armadura. Trace no mesmo gráfico uma curva hipotética do comportamento da máquina se ela tivesse enrolamentos compensadores A partir da equação de malha do gerador, da curva de magnetização e da curva de carga, determine uma relação matemática que descreva a reação de armadura Trace curvas hipotéticas de acordo com a do item 4.4 mostrando o efeito do aumento ou diminuição do reostato de campo do gerador Calcular a regulação de tensão do gerador Anexe a tabela de medições do ensaio no relatório. 4

5 1. OBJETIVOS AULA PRÁTICA 2 DETERMINAÇÃO DOS PERÂMETROS DO MODELO CLÁSSICO DE MÁQUINAS SÍNCRONAS 1.1. Determinar os parâmetros de máquinas síncronas a partir das características em curtocircuito e circuito aberto utilizando o grupo Motor-Gerador Síncronos (MS-GS). 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Campo girante e torque em máquinas síncronas; - Enrolamentos amortecedores; - Circuito equivalente de máquinas síncronas; - Ensaios de curto-circuito e circuito aberto; - Relação de curto-circuito Preparar a tabela da experiência: Ensaio a Vazio E a I F Ensaio de Curto-circuito I F I a Ensaio de CC V CC I CC 3 linhas cada um A B C EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Partida do Grupo Motor-Gerador: Observe as diferentes formas de partida do motor síncrono. São utilizados o soft-starter e a partida direta. Atente para os diferentes comportamentos Ensaio de Circuito Aberto: Ligar o MS com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida, aumentar gradativamente a corrente de campo (I F) registrando ela e a tensão induzida nos terminais da armadura (V a) até 10% acima da nominal. Em especial, registrar os valores com campo zerado e à tensão nominal. 5

6 3.4. Ensaio de Curto-circuito: Ligar o MS com a armadura do GS em curto-circuito trifásico e sem corrente de campo. Em seguida, aumentar gradativamente a corrente de campo (I F) registrando ela e a corrente de fase (I a) até 10% acima da nominal. Em especial, registrar os valores com campo zerado e à corrente nominal Ensaio de Corrente Contínua: Com o grupo desligado e ainda quente, aplicar tensão contínua entre os terminais da armadura (A, B e C) aumentando gradativamente até obter corrente 10% acima da nominal. Registrar os pontos (V CC, I CC) para cada par de terminais. 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução dos itens 3.2 a 3.4. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes Trace as curvas características de circuito aberto e curto-circuito, indicando a linha de entreferro Calcule a reatância síncrona não-saturada (X SN) e a reatância síncrona saturada à tensão nominal (X SS) Calcule a relação de curto-circuito (RCC) do gerador e mostre que RCC = 1/X SS(pu) 4.6. Trace as curvas de V CC x I CC dos circuitos A, B e C e calcule as resistências dos enrolamentos de armadura das fases A, B e C Trace a curva de Reatância Síncrona x Corrente de Campo Apresente o modelo do gerador síncrono ensaiado Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório. 6

7 AULA PRÁTICA 3A DETERMINAÇÃO DAS REATÂNCIAS X d E X q DO GERADOR SÍNCRONO 1. OBJETIVOS 1.1. Sincronizar o Gerador Síncrono com a rede elétrica; 1.2. Determinar os parâmetros do modelo decomposto em eixos direto e quadratura de máquinas síncronas de polos salientes. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Paralelismo de geradores síncronos com a rede elétrica; - Teoria de polos salientes em máquinas síncronas; 2.2. Preparar a tabela da experiência: Medição de X d I a V an Medição de X q 3. EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Ligar o MS com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida, aumentar a corrente de campo até ser induzida uma tensão nominal nos terminais da armadura. Ajustar a tensão do barramento do Variac Trifásico até o mesmo valor. Executar a operação de sincronismo do GS com o barramento trifásico com auxílio de um osciloscópio e o sequencímetro de lâmpadas. Finalmente, desligue o circuito de campo do GS e diminua a tensão do barramento Girar o estator do gerador através da manivela de defasagem procurando o ponto de corrente de armadura (I a) máxima. Ajuste a tensão do barramento para obter I a nominal e em seguida diminua gradativamente a tensão anotando os valores de I a e V an na respectiva tabela. 7

8 3.4. Reduzir a tensão do barramento e girar o estator do gerador através da manivela de defasagem procurando o ponto de corrente de armadura (I a) mínima. Ajuste a tensão do barramento para obter I a nominal e em seguida diminua gradativamente a tensão anotando os valores de I a e V an na respectiva tabela. 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes. Seja bastante criterioso ao explicar o procedimento Apresente um resumo conceitual sobre as reatâncias X d e X q das maquinas síncronas de polos salientes com o auxílio de diagramas fasoriais Explique, em termos de circuito magnético, o que acontece ao se defasar mecanicamente o estator para causar uma variação da corrente de armadura com a tensão do barramento fixa. Por que existe um ponto de máxima e um de mínima? 4.5. Calcule, mostre graficamente e discuta a respeito do comportamento das reatâncias X d e X q em função da tensão de fase V an Compare os resultados obtidos para X d e X q com os obtidos pelo método da experiência 3B Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório. 8

9 AULA PRÁTICA 3B DETERMINAÇÃO DAS REATÂNCIAS X d E X q DO GERADOR SÍNCRONO 1. OBJETIVOS 1.1. Sincronizar o Gerador Síncrono com a rede elétrica; 1.2. Determinar os parâmetros do modelo decomposto em eixos direto e quadratura de máquinas síncronas de polos salientes. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Paralelismo de geradores síncronos com a rede elétrica; - Teoria de polos salientes em máquinas síncronas; 2.2. Preparar a tabela da experiência: V an w I a (max) I a (min) EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Ligar o MCC com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida, aumentar a corrente de campo até ser induzida uma tensão de cerca de 100 V nos terminais da armadura. Ajustar a tensão do barramento do Variac Trifásico até o mesmo valor. Executar a operação de sincronismo do GS com o barramento trifásico com auxílio de um osciloscópio e o sequencímetro de lâmpadas. Finalmente, desligue o circuito de campo do GS e diminua a tensão do barramento Alterar a velocidade do MCC pelo controle de corrente de campo de forma a impor um escorregamento entre o GS e a rede elétrica. Observe a variação do módulo da corrente induzida, a relação entre sua frequência e o escorregamento Alterar também a tensão do barramento de forma a obter diferentes tensões V an e máximos e mínimos de corrente, I a(max) e I a(min), em alguns escorregamentos diferentes. 9

10 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes. Seja bastante criterioso ao explicar o procedimento Apresente um resumo conceitual sobre as reatâncias X d e X q das maquinas síncronas de polos salientes com o auxílio de diagramas fasoriais Explique o que acontece ao se impor um escorregamento para causar uma variação de amplitude da corrente de armadura com a tensão do barramento fixa. Por que existe um ponto de máxima e um de mínima? 4.5. Calcule, mostre graficamente e discuta a respeito do comportamento das reatâncias X d e X q em função da tensão de fase V an Compare os resultados obtidos para X d e X q com os obtidos pelo método da experiência 3A Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório. 10

11 1. OBJETIVOS AULA PRÁTICA 4 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CARGA NO GERADOR SÍNCRONO ISOLADO DA REDE 1.1. Observar a influência do fator de potência da carga Comparar o modelo clássico com o DQ 1.3. Verificar a regulação de tensão no gerador. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Gerador Síncrono isolado em diferentes condições de carga; - Relação entre Frequência-Ativo e Tensão-Reativo; 2.2. Preparar a tabela da experiência: S P Q V I Carga L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 I F E a R(2 linhas) L(2 linhas) C(2 linhas) 3. EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Partir o grupo MS-GS e ajustar a corrente de campo para obter tensão nominal Combinaras cargas e ajustar a corrente de campo para obter tensão nominal com FP = 1 em 2 níveis de corrente. Completar a tabela de medidas em cada um dos casos, desligando cada carga para medir E a Recombinar as cargas e ajustar a corrente de campo para obter tensão e corrente nominais com FPs indutivos em 2 níveis de corrente. Completar a tabela de medidas em cada um dos casos, desligando cada carga para medir E a Recombinar as cargas e ajustar a corrente de campo para obter tensão e corrente nominais com FPs capacitivos em 2 níveis de corrente. Completar a tabela de medidas em cada um dos casos, desligando cada carga para medir E a. 11

12 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução dos itens 3.2 a 3.5. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes Monte diagramas fasoriais para as potências ativas, reativas e aparentes para cada uma das cargas ensaiadas Monte diagramas fasoriais para as condições de carga observadas nos itens 3.3 a 3.5 contendo: E a, V a, I a e Z (modelo clássico) e E a, V a, I d, I q e Z (modelo DQ). Compare-os Calcule a regulação de tensão para os casos de carga observados nos itens 3.3 a 3.5 usando os fatores de potência medidos Calcule E a utilizando X SS do modelo clássico da máquina síncrona obtido na Experiência 3 e recalcule a regulação de tensão para os casos de carga observados nos itens 3.3 a 3.5. Compare os resultados Compare as correntes de excitação (I F) utilizadas nos casos 3.3 a 3.5 e explique as diferenças com base nos diagramas fasoriais Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório. 12

13 AULA PRÁTICA 5 LEVANTAMENTO DA CURVA V DO MOTOR SÍNCRONO 1. OBJETIVO 1.1. Verificar aspectos operacionais do motor síncrono sob várias condições de carga (usando o gerador síncrono) e fator de potência. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Diferença entre motor e gerador síncrono; - Diagrama fasorial de motor síncrono; - Curva V; - Partida de motores síncronos; - Aplicação de motores síncronos Preparar a tabela da experiência: Carga Leve I a I F Carga Média Carga Pesada 3. EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Observe o MS trabalhando a diferentes níveis de excitação e carregamento. O acréscimo de resistores ao GS se refletirá em carga mecânica média e pesada no MS. Procure observar também a tensão e a corrente de armadura do GS no osciloscópio durante os procedimentos: Carga leve: Partir o motor com o gerador em vazio. Ajuste I F de forma que I a seja mínima. Em seguida, diminua I F até obter I a nominal. A partir deste ponto, aumente gradativamente I F, medindo também I A e FP, completando a tabela no campo correspondente à carga leve até atingir novamente I A nominal. Carga média: 13

14 Retornar o motor à corrente mínima. Insira cargas resistivas no gerador até que a corrente do motor atinja 0,4 pu. Em seguida, diminua I F até obter I a nominal. A partir deste ponto, aumente gradativamente I F, medindo também I A e FP, completando a tabela no campo correspondente à carga média até atingir novamente I A nominal. Carga pesada: Retornar o motor à corrente de 0,4 pu. Aumente a carga resistiva no gerador até que a corrente do motor atinja 0,8 pu. Em seguida, diminua I F até obter I a nominal. A partir deste ponto, aumente gradativamente I F, medindo também I A e FP, completando a tabela no campo correspondente à carga pesada até atingir novamente I A nominal. 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3.2. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes Trace as curvas V para os três níveis de carga a partir dos dados coletados. Trace as linhas de tendência para fatores de potência unitário, 0,8 e 0,6 indutivo e capacitivo Estime pelo gráfico a corrente de excitação necessária para que o motor opere a 1,9 kw com FP 0,9 atrasado Calcule a relação FP = I a1/i a (corrente de armadura com FP = 1 dividida pela corrente de armadura medida). Compare o resultado com os pares (I a, FP) medidos O que se traduz em carga mecânica no caso de carga leve nesta experiência? 4.7. Desenhe diagramas fasoriais do motor síncrono operando nas 3 condições de carga (em FP arbitrários). Destaque os lugares geométricos onde encontram-se I a e E a em função da excitação. Explique sua relação com a potência e o comportamento do ângulo de carga Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório. 14

15 1. OBJETIVOS AULA PRÁTICA 6 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO 1.1. Familiarização com o inversor; 1.2. Determinação dos parâmetros do circuito equivalente do MI; 1.3. Levantar a curva de carga do MI. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO 2.1. Estudar os seguintes tópicos: - Aspectos Construtivos de Motores de Indução; - Formação de Conjugado e Escorregamento; - Circuito Equivalente do Motor de Indução; - Curva de Carga do Motor de Indução Preparar as tabelas da experiência: S P Q V I Parâmetros L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 A vazio Rotor bloqueado S P Q Curva de Carga L1 L2 L1 L2 L1 L2 60 Hz (10 linhas) 50 Hz (10 linhas) F (lb) W (rpm) 3. EXECUÇÃO 3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões terminais entre os equipamentos. Atentar ao máximo para os detalhes da montagem Familiarize-se com o inversor usando como referência o manual de instrução. Identifique seus parâmetros e os comandos básicos do controlador Faça o ensaio a vazio do MI. Para isso, eleve a tensão com o auxílio do variac até que seja atingido o valor nominal. Complete a tabela com os valores das potências, tensão e corrente. Reduza a tensão e aguarde a parada total do MI. 15

16 3.4. Faça o ensaio de rotor bloqueado. Para isso, trave o eixo utilizando a alavanca de bloqueio do dinamômetro. Em seguida, eleve cuidadosamente a tensão utilizando o variac até obter corrente nominal no MI. Complete a tabela com os valores das potências, tensão e corrente. Reduza a tensão e libere o bloqueio do dinamômetro Acione o MI controlando pelo inversor. Em seguida, acione o dinamômetro como um gerador CC. A variação da corrente de campo altera o carregamento do gerador, refletindo como carga mecânica no eixo do motor. Complete a tabela com os valores medidos. Atenção às unidades da instrumentação! Ao terminar, diminua novamente a alimentação do MI. 4. RELATÓRIO 4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível Descreva os procedimentos efetuados durante a execução dos itens 3.2 a 3.5. Assinale todos os pontos que você considerou relevantes Calcule os parâmetros do circuito equivalente do MI e apresente seu modelo por fase Trace as curvas de conjugado x velocidade do MI. Utilize um único gráfico para apresentar os dados de ambas as tabelas. Discuta a respeito destes resultados Calcule o escorregamento para os pontos medidos. 16