DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DEE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 LABORATÓRIO 6: Máquina Síncrona em Barramento Infinito Objetivo: Verificar, experimentalmente, como é feita a ligação de um gerador síncrono no barramento infinito. Teoria: As necessidades de energia elétrica das indústrias, estabelecimentos comerciais e consumidores individuais são supridas quase que exclusivamente por geradores síncronos. Em muitas regiões do país, existem virtualmente centenas destes geradores, operando em paralelo para preencher estas necessidades. Considere, inicialmente, a operação em paralelo de dois geradores síncronos isolados, de mesmo valor nominal como mostrado na Figura 6.1. Figura Sincronização de dois geradores síncronos para operação em paralelo [1]. Na Figura 6.1 considera-se que o gerador G 1 já está ligado a uma carga resistiva trifásica, por meio de uma chave fechada, e que opera na frequência nominal e na tensão nominal. Deseja-se colocar um segundo gerador em paralelo com o primeiro, de forma a que possa dividir a corrente da carga assim como fornecer uma reserva para um futuro aumento de potência desta carga. Caso se deseje evitar choques severos nos dois geradores (recomendado), um processo definido, chamado de procedimento de sincronização, deve ser seguido, antes que as chaves (disjuntores) que colocam as duas máquinas em paralelo possam ser fechadas. O processo é iniciado ajustando-se a velocidade do agente motor PM 2 do gerador G 2 de forma que corresponda exatamente à velocidade do agente motor PM 1 do gerador G 1. A corrente de campo de G 2 é, então, ajustada para produzir a mesma tensão nominal entre linhas a, b e c. Um grupo adequado de lâmpadas (a versão comercial equivalente destas lâmpadas é denominada sincronoscópio) é colocado em série com as linhas a - a, b - b, c - c. Estas lâmpadas irão acender se tanto a tensão como a frequência de G 2 diferirem ligeiramente das de G 1. Quando as duas frequências são idênticas, mas os módulos das tensões de linha são ligeiramente diferentes, as lâmpadas ficarão acesas firmemente. Um ajuste subseqüente na corrente de campo de G 2 pode então ser usado para fazer com que as lâmpadas se apaguem, permitindo o fechamento da chave de sincronização, colocando as duas máquinas em paralelo sem incidentes. Por outro lado, se os dois conjuntos de tensões trifásicas forem iguais em módulo, mas um pouco diferentes em frequência, as lâmpadas irão ascender novamente mas, agora, vão piscar numa taxa igual à diferença de frequências. Em um ponto deste ciclo de diferença, a tensão nas lâmpadas irá atingir duas vezes a tensão de linha; meio ciclo depois, será zero. Um ajuste na velocidade do agente motor pode ser usado para reduzir essa diferença de frequência a um valor muito pequeno. Então, quando um período escuro se aproxima, a chave de linha pode ser fechada com pouca ou nenhuma perturbação. 33

2 Uma vez que G 2 seja colocado em paralelo com G 1 do modo descrito anteriormente, e nenhuma outra mudança seja efetuada, a segunda máquina assume um estado de inoperância na linha. Agora, faça G 1 representar muitos geradores síncronos de grande porte conectados a uma rede de potência. Essa interconexão de geradores freqüentemente acarreta o uso de barras sólidas de cobre, que são conhecidas como barramentos. Nestas barras aparecem as características do sistema elétrico, que apresenta tensão e frequência virtualmente constantes. Tornam-se conhecidas como barras infinitas (ou barramento infinito) porque nenhum gerador individual do sistema interligado pode, por si só, em circunstâncias normais, influenciar alguma destas grandezas a ponto perceptível. O processo de sincronização necessário para conectar G 2 no barramento infinito é o mesmo usado para interconectar os dois geradores individuais, como descrito anteriormente. Considere que isto foi feito e que G 2 está agora inoperante na rede de potência. Qualquer aumento na excitação de G 2 produz uma corrente em atraso, com fator de potência muito próximo de zero. Esta corrente reativa serve para neutralizar o efeito da força magnetomotriz (FMM) de campo aumentada, de forma que a tensão terminal permaneça invariável, como exigido pelo barramento infinito. Realmente, esta corrente reativa do gerador serve para aliviar os outros geradores na rede de potência de uma parte de sua carga de reativos. De modo correspondente, uma redução na excitação faz com que G 2 retire uma corrente adiantada da barra do sistema. Esta corrente serve para produzir um efeito de magnetização de tamanho suficiente para assegurar um fluxo no entreferro, que é consistente com a tensão no barramento. A volta da excitação a um valor de 100% (isto é, E f =V), coloca a máquina de novo em estado inoperante. Considere agora o agente motor de G 2 seja ajustado para aumentar sua característica de potência-velocidade. Isso tem o efeito de aumentar a potência de entrada para G 2, o que, por sua vez, responde pela entrega de uma quantidade correspondente à rede de potência. Quando a velocidade do agente motor de G 2 é momentaneamente aumentada para elevar sua característica potência-velocidade, faz um esforço para aumentar a frequência de todo o sistema de potência. Evidentemente, isso não ocorre porque não combina com a enorme capacidade total já na rede à qual G 2 necessitaria fornecer potência de sincronização, de modo a provocar uma mudança na frequência. Ao invés disso, G 2 interage com o sistema fornecendo potência ativa. Para o caso de o agente motor de G 2 diminuir sua característica potência-velocidade, vai implicar em que G 2 faça a interação com o sistema absorvendo potência ativa. Pré-Relatório: 1- Explique, fazendo uso de diagramas fasoriais das tensões da máquina síncrona (Efa, Efb, Efc) e do barramento infinito (Va, Vb, Vc), como ocorre o processo de sincronização do gerador síncrono com o barramento infinito. 34

3 Material Experimental: Gerador síncrono; Motor de corrente contínua (agente motor); Fonte de corrente contínua (excitatriz do gerador); 2 Wattímetros (e medidor Fluke); 1 Frequencímetro; 1 Fasímetro; Multímetros. Parte Prática: O ensaio terá apenas caráter demonstrativo, onde um gerador síncrono, acionado por um motor CC, será ligado a rede elétrica (barramento infinito). Para efeito teórico, considere uma linha trifásica equilibrada (tensões nas fases iguais em módulo e com diferença de fase de 120º). Considere o gerador síncrono MS da Figura 6.2, a ser ligado ao sistema S que mantém V e f constantes em seus terminais A, B, C. Em linhas gerais a sincronização consiste em: a) impor ao gerador as mesmas tensões (A com a, B com b e C com c) e a mesma seqüência de fase do sistema. Para isso, deve-se ligar as fases do gerador com as fases do sistema, e a ligação estará correta quando as três lâmpadas acenderem e apagarem ao mesmo tempo; b) estando as fases ligadas corretamente, impor os módulos para as tensões do gerador iguais às fases do barramento. Isto é obtido quando as três lâmpadas permanecerem apagadas, o que implica em igualdade de módulos e de fases. 35

4 Enquanto a chave K estiver aberta é praticamente impossível manter as três lâmpadas permanentemente apagadas, ou seja, é praticamente impossível manter a perfeita superposição dos fasores. Figura Esquema do sincronoscópio usado na experiência. Figura Representação do esquema para fechamento das chaves [2]. Em caso real, as lâmpadas acusam pulsações luminosas com freqüências tanto menores quanto menores forem as diferenças entre as freqüências do gerador e do sistema. Regulando-se convenientemente a velocidade da máquina pode-se tornar suficientemente baixas as freqüências daquelas pulsações, a ponto de permitir a ligação da chave K, o que pode ser feito durante os instantes em que as lâmpadas permanecerem praticamente apagadas. O gerador será sincronizado à linha com um sistema de lâmpadas e chaves conforme mostrado na Figura 6.2. Porém, para a realização do ensaio, a configuração da chave K e da ligação das lâmpadas será um pouco diferente, conforme mostra a Figura 6.3. De acordo com a Figura 6.3, antes do gerador ser ligado ao barramento, as fases estão trocadas (a fase a do gerador está ligada à fase C do barramento e a fase c do gerador está ligada à fase A do barramento), o que leva a um raciocínio um pouco diferente daquele apresentado anteriormente. O motivo dessa modificação está relacionada à facilidade de manobra de fechamento da chave K. A chave K, neste caso, só será fechada quando as lâmpadas LaC e LcA estiverem acessas e LbB apagada, ou seja, há passagem de corrente entre a e C, pela diferença de fase de 120º, e entre c e A, pela mesma razão. Entre b e B, não há passagem de corrente, pois a tensão e a fase tem os mesmos valores, tanto para o barramento quanto para a máquina. Avaliação: 1. Explique o comportamento do gerador síncrono quando ocorre um aumento ou diminuição da excitação de campo. Faça uso do diagrama fasorial representativo das grandezas da máquina. 36

5 Considere agora um motor síncrono. O que se pode afirmar sobre o seu comportamento quando ocorre um aumento ou diminuição da excitação de campo? (Faça uso do diagrama fasorial representativo das grandezas da máquina para responder a pergunta formulada). 2. Explique o comportamento do gerador síncrono quando ocorre um aumento ou diminuição da velocidade de seu agente motor. Faça uso também do diagrama fasorial representativo das grandezas da máquina. Referências Bibliográficas [1] DEL TORO, V. Fundamentos de Máquinas Elétricas. LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S. A. Rio de Janeiro [2] JORDÃO, R. G. Máquinas Síncronas. Livros Técnicos e Científicos. São Paulo

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