Relatório 3 - Montagem do gerador de indução e dos procedimentos de energização.

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS - EESC Relatório 3 - Montagem do gerador de indução e dos procedimentos de energização. Alunos: Gustavo Henrique Santos Leonardo Nº: Gustavo Sacchi Silva Nº Rodolfo Takeshi Ota Nº: Victor Makida Nakashima Nº Professor: Prof. Dr. José Carlos de Melo Vieira Jr. São Carlos SP Novembro de 2016

2 Sumário 1 Introdução Máquina de Indução Análise das frequências da máquina de indução Esquema de montagem do MIT para funcionamento como gerador Método para determinação da curva de magnetização do Gerador de Indução (Ensaio em aberto) Funcionamento de um Gerador Auto Excitado Determinação da faixa de capacitores necessária para a auto excitação do gerador de indução (Sistema isolado) Esquema de montagem de um sistema isolado Características do gerador de indução conectado à rede Passos para conexão do Gerador de indução a rede METODOLOGIA CRONOGRAMA DE TRABALHO Anexo A... 20

3 1 Introdução Esta prática tem como objetivo simular um sistema de geração eólico a partir da utilização de uma máquina de indução de rotor bobinado, construindo um sistema de geração isolado e integrado à rede. O relatório será dividido em X partes iniciando com uma explicação teórica a respeito das máquinas assíncronas (ou de indução) e em seguida serão explicados métodos para a determinação da curva de magnetização da máquina assíncrona bem como o esquema de montagem e as condições necessárias para fazê-la funcionar como gerador. Por ultimo serão construídos os esquemas das configurações para o sistema de geração isolada e para o sistema integrado a rede, definido os componentes necessários para a construção e bom funcionamento dos dois tipos de sistemas (como por exemplo a identificação dos capacitores e inversores que deverão ser utilizados). O sistema de turbina será simulado por um motor CC que irão ser o agente que movimentará o eixo do gerador de indução. Sua configuração será apresentada ao longo do desenvolvimento do relatório. 2 Máquina de Indução O gerador de indução se trata de uma máquina assíncrona de indução. Assim como toda máquina elétrica, a máquina assíncrona (ou de indução) é composta por duas partes: o estator (parte fixa onde é criado um campo girante nos seus enrolamentos) e o rotor (parte móvel terá correntes induzidas pelo campo do estator). Seu nome advém do fato de o enrolamento do estator criar um campo magnético girante que induz corrente alternada no enrolamento do roto. Além disso, o não sincronismo entre o fluxo da armadura em relação ao rotor gera um conjugado (torque) eletromecânico, isto é, existe um escorregamento entre o rotor e o estator da máquina que irá definir se esta funcionará como motor ou gerador. As corrente induzidas e o torque é consequência da presença desse escorregamento entre as partes. A Figura 1 apresenta a característica da máquina de indução segundo o valor de escorregamento.

4 Figura 1 - Curva torque x escorregamento de uma máquina de indução. O uso da máquina de indução como motor foi discutido no primeiro relatório e dessa forma aqui iremos avaliar seu uso como gerador. O escorregamento já foi discutido em relatórios anteriores quando se avaliou os parâmetros do motor de indução trifásico (MIT). Para fins explicativos reescrevemos a fórmula do escorregamento dado pela equação 1: onde ω s e ω corresponde respectivamente a velocidade síncrona em rad/s (no caso do laboratório 1800 rpm ou 188,5 rad/s) e a velocidade mecânica do rotor. Observando-se a Figura 1 vemos que a para um valor superior a zero, a máquina irá trabalhar como motor, e para um valor inferior, como gerador. Esse tipo de máquina está sendo muito utilizada como geradores de turbinas eólicas tanto em sistemas isolado (isto é, não existe conexão com a rede elétrica e o fornecimento da energia é de forma direta para a carga) bem como em sistemas interligados à rede (fornecimento de energia para a rede). Isso se deve ao fato da sua característica de reversibilidade na conversão de energia bem como apresentar um bom desempenho e baixo custo.

5 A presente prática tem por objetivo simular um sistema de geração eólica, dessa forma precisamos entender o fluxo de potência que ocorre nesse sistema. Quando a máquina de indução é operada como gerador, o seu eixo recebe torque mecânico e, consequentemente, potência mecânica através de turbinas, hélices ou, até mesmo, de outras máquinas funcionando como motores (que será o caso desta prática), sendo criado, assim, um grupo motor-gerador. As mesmas perdas que ocorrem no funcionamento como motor (como as perdas no cobre do estator e rotor, perdas no ferro do estator, as perdas por atrito e ventilação) ocorrem na geração, entretanto devem ser subtraídas da potência mecânica de entrada. A Figura 2 apresenta um esquema do fluxo de potência da máquina de indução operando como gerador. Figura 2 - Fluxo de potência no gerador de indução (CHAPALLAZ, 1992). Sendo P rot (perdas rotacionais), P Fe (perdas no núcleo) e P cue e P cur (perdas no cobre do rotor e do estator). Nos itens seguintes serão avaliados esquemas de montagem do motor de indução na configuração de gerador bem como os esquemas de montagem dos dois tipos de sistemas isolado e interligados à rede. Vale ressaltar que os parâmetros da máquina síncrona já foram determinados em relatórios anteriores, não repetindo, portanto, os métodos de determinação dos parâmetros (teste DC, teste de rotor bloqueado e teste a vazio) neste relatório.

6 2.1 Análise das frequências da máquina de indução Para entender o fator de escorregamento e para determinar a faixa de operação da máquina primária que será utilizada para rodar o gerador de indução, devemos entender as diferentes frequências de rotação presente no sistema. A frequência de rotação angular do campo girante produzido pelo estator de uma máquina de indução é dada pela equação 2: onde f s é a frequência da rede (60 Hz), p é o número de polos e n s é a velocidade em rpm do campo girante do estator. Nesse caso, n s = 1800 rpm para a máquina de 4 polos presente no laboratório. Para obter o mesmo valor em radianos por segundo aplicamos Da mesma forma, a velocidade de rotação do campo girante produzido pelo rotor de uma máquina de indução é dada pela equação 3: onde f r é a frequência induzida no rotor, p é o número de polos e n r é a velocidade em rpm do campo girante do rotor. O valor de n r será lido pelo tacômetro em rpm. Essas equações serão importantes para determinar o escorregamento entre os campos. 2.2 Esquema de montagem do MIT para funcionamento como gerador Basicamente, como já enunciado a prática visa implementar uma montagem laboratorial similar a um sistema de geração eólico tanto isolado quando interligado à rede.

7 Para isso, será utilizado um motor de indução trifásico (MIT) na configuração de gerador. Para o funcionamento da máquina de indução como gerador, é necessário o fornecimento de energia mecânica para que essa promova a rotação do rotor e, assim, possa ser gerada energia elétrica. Dessa forma, associado ao gerador de indução estará uma máquina primária de corrente contínua a fim que funcionar como turbina para o gerador. Primeiramente será montada a máquina primária (CC) em série com a máquina de indução. Será estabelecida a conexão da máquina CC (estator e rotor) para poder colocá-la para girar e consequentemente girar o rotor da máquina de indução. Porém, antes de acionar a máquina primária devemos estabelecer as conexões do estator do gerador. A Tabela 1 apresenta os dados de placa da máquina assíncrona. Tabela 1 - Dados de placa da máquina Assincrona. Dados Disposição Estrela Disposição Delta Tensão 220 V 380 V Corrente 1,6 A 0,9 A Configuração Tabela 2 - Dados de placa da máquina primária (CC). Dados Campo Armadura Tensão 220 V 220 V Corrente 0,3 A 1,68 A (Ger) 2,2 A (Mot) Dessa forma, podemos estabelecer um dos dois tipos de configuração dos enrolamentos do estator do gerador conforme anunciada na Tabela 1.

8 Após realizar a configuração da máquina primária (a configuração está presente no Anexo A) e da máquina de indução colocamos a máquina primária para girar a uma velocidade superior a 1800 rpm (velocidade síncrona). Segundo a literatura, o escorregamento nominal é em geral pequeno, em torno de 1 a 5%, o que torna limitada a excursão de velocidade da turbina (no caso a máquina primária). Voltando na equação 1 e tomando como base a análise de frequência da máquina de indução realizada no item anterior vemos que a máquina primária deverá girar em torno de uma faixa de velocidade de 1818 rpm a 1890 rpm. Vale ressaltar que deverá ser escolhida uma dada velocidade observando os limites de operação da máquina CC não deixando ultrapassar o valor de corrente limite de placa (dados na Tabela 2). No estator do gerador de indução irá criar um campo girante na velocidade síncrona (1800 rpm pelo fato dessa máquina possuir 4 pólos). Ao aplicar sobre o rotor uma rotação mecânica dentro da faixa estabelecida anteriormente, existirá um escorregamento entre o campo induzido no rotor e o campo girante do estator. O escorregamento negativo entre a iteração dos dois campos significa que é como se sobrasse energia no sistema e nesse caso, o estator induz certa corrente no rotor, para criar um campo magnético, e esse campo magnético gera corrente no próprio estator, fazendo, portanto, que a máquina funcione como gerador. A Figura 3 resume esse esquema. Figura 3 - Esquema de montagem da máquina de indução e da máquina primária para construir um sistema de geração isolado ou integrado à rede. Em suma os passos são: 1) Configurar a máquina primária (CC) conforme as instruções presentes no anexo A.

9 2) Configurar os enrolamentos do estator da máquina assíncrona e energizá-la segundo os dados de placa presentes na Tabela 1. 3) Curto-circuitar os enrolamentos do rotor da máquina assíncrona. 4) Colocar a máquina primária para girar em uma velocidade de rotação maior que a velocidade síncrona de tal forma que o escorregamento (entre os campos do estator e do rotor da máquina assíncrona) fique entre 1 e 5%. 5) Acoplar o gerador de indução criado em uma das formas de geração (isolada ou integrada a rede) que será apresentada nos próximos itens. 3 Método para determinação da curva de magnetização do Gerador de Indução (Ensaio em aberto). Neste item, busca-se obter a curva de magnetização através dos valores de tensão terminal e corrente de excitação. Dessa forma será utilizada a máquina de indução presente no laboratório na configuração estrela. Esse teste é dito em vazio pelo fato de não existir carga no sistema o escorregamento é quase nulo. Vale ressaltar que para determinar a curva será necessário configurar a máquina de forma a funcionar como motor. Será necessário montar o circuito do estator na configuração mostrada pela Figura 4. A partir daí, são impostas tensões ao estator da máquina de um valor baixo de tensão a um valor um pouco maior que a tensão nominal da máquina (110%) já que este valor é, possivelmente, admissível para o alcance da região de saturação. Não deve esquecer de verificar constantemente a corrente para não ultrapassar a nominal (os valores nominais de placa da máquina assíncrona estão presentes na Tabela 1).

10 Figura 4 - Configuração estrela do circuito do estator para o teste em vazio. Assim, mede-se a tensão fase-neutro e corrente de excitação da fase em que está sendo realizada a medida. É sugerido realizar as medidas para cada uma das fases, porém pelo fato de serem semelhantes, é válido realizar uma estimativa da curva com base em apenas uma das fases. Caso a configuração do estator esteja em Delta, a tensão obtida nos terminais é de linha, necessitando, portanto, realizar a transformação dos valores para tensão de fase dividindo-os por. Os valores limites de cada tipo de configuração se encontram na Tabela 1. Para esse teste segue a Figura 5. Figura 5 - Esquema do teste em vazio para a configuração delta.

11 Criando-se uma tabela com os valores de corrente de excitação e tensão de fase, A curva de magnetização é obtida diretamente dos pontos da tabela criada, haja vista que a tensão de entreferro é próxima à tensão terminal. Isso pode ser justificado pela queda de tensão nos enrolamentos do estator ser pequena. Utilizando interpolação, através do comando polyfit do Matlab, a partir dos pontos da tabela criada é possível determinar a curva de magnetização da máquina assíncrona. A curva deverá ser semelhante à apresentada pela Figura 6. Figura 6 - Exemplo de curva de magnetização da máquina de indução e aproximação dos pontos experimentais via Matlab. Basicamente os passos são: 1) Configurar os enrolamentos do estator em uma das opções: Delta ou Estrela. 2) Curto-circuitar os enrolamentos do rotor. 3) Colher os valores de tensão e corrente segundo o formato escolhido para os enrolamentos do estator. 4) Montar a curva usando o Matlab. A partir da determinação da curva de magnetização da máquina de indução, será possível determinar as características dos valores de capacitâncias, por exemplo, que devem ser inseridos em paralelo no Sistema de Geração Isolado, que será discutido posteriormente.

12 4 Funcionamento de um Gerador Auto Excitado Para que o gerador de indução promova a conversão de energia mecânica em energia elétrica, uma das condições necessárias é a existência de um magnetismo residual em seu rotor. Esse efeito residual deve ser maximizado de tal forma que tenha fornecimento de potência reativa à máquina, seja através da rede elétrica (sistema interligado à rede) ou por meio de capacitores (sistema isolado). Basicamente a auto excitação ocorre pela ligação do banco de capacitores em paralelo aos terminais do estator, que implica em um avanço de fase na corrente de excitação da máquina. Essa corrente, então, ao atravessar os enrolamentos do estator, gera um fluxo magnético de mesmo sentido que o fluxo residual original, aumentando a magnetização da máquina. Esse processo pode ser denominado de escorvamento. Pode-se dizer que inicialmente esse tipo de sistema requer uma alimentação prévia do gerador como motor, a fim de produzir um magnetismo residual. A Figura 7 resume esse tipo de energização. Figura 7: Processo de auto excitação do gerador de indução trifásico (VALADÃO, R. A. D., 2012).

13 Pela Figura 7, vemos a existência de uma iteração entre a corrente dos capacitores e a tensão induzida no estator pelo fluxo residual do entreferro. Em suma: 1. No ponto P 1, a tensão eficaz residual no gerador é V inicial, e a corrente é igual a zero. 2. Inicia-se o processo de autoexcitação e, portanto, uma corrente de magnetização é gerada devido à tensão V inicial nos terminais do capacitor. 3. Em consequência dessa corrente, o fluxo aumentará no rotor, criando assim, uma tensão maior que V inicial nos terminais do estator. 4. Consequentemente para essa tensão no estator existirá uma corrente de magnetização maior repetindo-se o processo até que exista o cruzamento entre a curva de magnetização com a reta de carga P 2. Assim, para o correto funcionamento deste gerador é necessário calcular a faixa de capacitâncias que promovam o aumento na magnetização. Este será assunto do próximo item. 4.1 Determinação da faixa de capacitores necessária para a auto excitação do gerador de indução (Sistema isolado). Para se determinar os valores de capacitância suficientes para o processo de energização do gerador, deve-se seguir duas condições: A reatância capacitiva deve ser menor ou igual à reatância de magnetização não saturada da máquina. O que indica que a inclinação da reta de impedância dos capacitores deve ser menor que da linha de entreferro. (VALADÃO, R. A. D., 2012) A capacitância máxima e, consequentemente, a reatância mínima do banco de capacitores é limitada por um valor de reatância para a qual a corrente do estator não exceda o seu valor nominal em vazio. (VALADÃO, R. A. D., 2012) A Figura 8 mostra a faixa possível de reatâncias capacitivas adaptada da Figura 7.

14 Figura 8: Faixa de reatâncias capacitivas possíveis. Assim a partir da curva de magnetização devem-se traçar as retas de reatâncias (X) referentes às condições anteriormente citadas. A partir disso, determinemos os valores de capacitâncias (C) mínimas e máximas com a aplicação da equação 1: [ ] onde o índice i indica os valores de reatâncias e capacitâncias máximas e mínimas. De fato é interessante escolher um valor de reatância não muito próximo da tangente para que uma alteração na carga não leve o sistema a cair fora da faixa determinada. 4.2 Esquema de montagem de um sistema isolado. De posse de um capacitor que atenda às exigências do item anterior, será feita a montagem do circuito de geração por máquina de indução. O modelo ilustrativo do circuito de montagem está descrito na Figura 9.

15 Figura 9: Ilustração do circuito do gerador para operação em isolamento. Fonte: HOMRICH (2013), adaptado. Assim como em todas as operações com motor de indução proposto no laboratório, o enrolamento de campo do MIT ficará em curto-circuito. O enrolamento de armadura será conectado em delta, ao passo que não há diferenciação em tensão de linha e tensão de fase. A carga utilizada nesta prática, conectada aos terminais da armadura do gerador de indução, será um banco de resistores conectados em estrela. Em paralelo aos resistores, estará ligado o banco de capacitores em estrela, responsáveis de processo de auto excitação do gerador. Lembrando que a fonte primária de energia será o motor de corrente-contínua, acoplado mecanicamente ao eixo de gerador. A ligação e o procedimento de partida desta máquina estão descritos no Anexo A. Desprezando as perdas mecânicas, elétricas e magnéticas, a potência do gerador é obtida pelo produto entre a velocidade angular do eixo do gerador e o torque aplicado sobre ele. Dessa maneira, se o torque for mantido constante e houver uma mudança na velocidade de rotação, a potência da máquina deve aumentar. Segundo HOMRICH (2013), se a velocidade do rotor estiver constante e a potência ativa consumida na carga aumentar, a tendência é que haja uma queda na frequência síncrona, ao passo que o torque aumente. Para corrigir a frequência de saída da tensão, devem ser acoplados dois conversores de potência. O primeiro seria um retificador, responsável por transformar a tensão de saída da máquina em corrente contínua. Neste barramento CC deve ser inserido um inversor de

16 frequência, capaz de gerar o sinal em 60 Hz. Dessa maneira, a tensão de saída possuirá frequência fixa. 5 Características do gerador de indução conectado à rede Neste tópico serão abordados os principais aspectos relacionados aos geradores de indução conectados à rede. No tópico anterior, a excitação dos geradores operando de forma isolada era feita por capacitores conectados em paralelo com a carga. Já nesta situação, a rede é responsável por fornecer a potência reativa responsável pela excitação do gerador. De forma sucinta, o enrolamento de armadura será conectado à rede elétrica. Enquanto o rotor não girar a uma velocidade maior que a síncrona, a máquina de indução operará como um motor. Quando velocidade ultrapassar a síncrona, o que reflete em escorregamento negativo, a máquina se tornará geradora de energia elétrica, invertendo o fluxo de potência na armadura da máquina de indução trifásica. Para aplicação em laboratório, a rede elétrica será substituída simplesmente por uma fonte trifásica de tensão e uma carga resistiva trifásica em paralelo, representando a fonte e a carga respectivamente. Um esquema do modelo a ser ligado em laboratório está descrito na Figura 10. Figura 10: Esquema para conexão do gerador com a rede. Fonte: HOMRICH (2013), adaptado.

17 Pra o correto funcionamento do modelo, o enrolamento de campo da máquina de indução ficará em curto-circuito. O enrolamento de armadura, ligado em delta será conectado a rede. A fonte trifásica, representativa da rede, deverá apresentar tensão de linha de 220V e a carga o banco de resistores ligados em estrela. Haja vista que o gerador de indução consome muito reativo da rede para sua excitação, o mesmo pode apresentar fator de potência muito baixo. Dessa maneira, pode ser conectado em paralelo ao mesmo um banco de capacitores. Lembrando que neste caso o banco de capacitores desenvolve o papel de melhoria da qualidade de energia e é dispensável para a prática em questão. Assim, como em operação isolada, a potência gerada por este gerador pode ser caracterizada como o produto entre a velocidade angular do eixo do gerador e o torque aplicado sobre ele. Logo, supondo conjugado constante, o aumento da velocidade acarretará em aumento da potência gerada. Contudo, para conectar na rede o gerador de indução devem ser tomados alguns cuidados. 5.1 Passos para conexão do Gerador de indução a rede O gerador de indução não precisa estar necessariamente em sincronismo com a rede para se conectar (mesma frequência, magnitude de tensão, sequência de fases) a mesma. Contudo, devem ser levados em consideração alguns aspectos para conexão se dano aos equipamentos utilizados. Ainda desconectado da rele elétrica, aumenta-se a velocidade da máquina primária até atingir a velocidade síncrona. Dessa maneira, aplicando tensão na armadura não haverá injeção de corrente, já que o escorregamento é nulo. Assim, evitam-se grandes magnitudes de corrente na conexão do gerador de indução. Contudo, mesmo deixando o gerador com rotação síncrona, existe uma corrente transitória, comumente chamada de inrush, nos terminais de máquina.

18 Esta corrente advém da magnetização da máquina, e não acarretará em problemas para o gerador ou a rede. Após a conexão com velocidade síncrona, deve elevar a velocidade de rotação da máquina primária, a fim de que a máquina opere como gerador. A velocidade da máquina deve ser elevada respeitando a corrente nominal da máquina, que no caso é 1,6 A. Para o correto desligamento da máquina, a velocidade de rotação do motor primário deve ser diminuída até a velocidade síncrona. Quando o escorregamento for nulo, o gerador poderá ser desconectado de forma segura. 6 METODOLOGIA Será elencado abaixo o plano de trabalho do grupo, para alguns tópicos considerados de suma importância para a continuidade dos trabalhos. O plano de pesquisa passará por quatro etapas principais, a saber: Etapa 1: Obtenção da curva de saturação de um motor de indução trifásico Nesta etapa será feito um ensaio em vazio da máquina operando como motor, de forma a obter a curva de saturação do motor. Integrantes: Todos os membros do grupo. Etapa 2: Operação em modo isolado- Primeiramente será calculado o melhor banco de capacitores para a operação isolada, a partir da curva de saturação. Posteriormente será ligado o gerador no modo isolado, analisando as respostas de auto excitação e de saída do gerador. Integrantes: Todos os membros do grupo. Etapa 3: Operação em modo conectado à rede Será tomado todos os cuidados necessários para inserção do gerador de indução à rede, e medidos a resposta do mesmo. Integrantes: Todos os membros do grupo..

19 7 CRONOGRAMA DE TRABALHO. A partir das 3 etapas elencadas no capítulo 6, apresenta-se a Tabela 3 com o cronograma de trabalho a ser executado para responder, da melhor forma possível, aos propósitos do projeto de laboratório em análise. Tabela 3: Cronograma de execução do projeto. 8 Bibliografia HOMRICH, G. Regulação de tensão em geradores de indução. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, VALADÃO, R. A. D. Análise do comportamento de um gerador de indução trifásico autoexcitado por capacitores. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2012.

20 Anexo A A máquina primária que será responsável por girar o rotor do gerador de indução será um motor de corrente contínua. Para o correto funcionamento de tal motor será aplicado primeiramente uma corrente CC no enrolamento de campo de 150 ma, visto que a corrente máxima suportada pelo mesmo será de 300 ma. O enrolamento de armadura também deve ser alimentado com tensão contínua, sendo que neste caso a tensão será elevada até que seu rotor gire a velocidade requisitada, no caso maior que 1800 rpm. Lembrando que a corrente nominal da armadura do motor CC é de 1,68 A, e que este valor não pode ser ultrapassado. Caso o motor não esteja com a rotação esperada, e esteja próximo do limite da corrente de armadura, o valor da corrente de campo deve ser ligeiramente diminuída, analisando qual a velocidade da máquina. Este processo deve ser repetido até atingir a velocidade esperada.