A) Ensaios de uma máquina síncrona convencional (Trabalho de Grupo) B) Ensaios de máquinas síncronas especiais (Demonstração)

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1 FEUP - DEEC - LEEC MÁQUINAS ELÉCTRICAS I (T) (2º.Semestre) Trabalho de Laboratório MSinc.-1 A) Ensaios de uma máquina síncrona convencional (Trabalho de Grupo) B) Ensaios de máquinas síncronas especiais (Demonstração) 0. INTRODUÇÃO Tendo em vista uma preparação eficaz do Trabalho, devem seguir-se as recomendações dos Guias anteriores nomeadamente no que se refere à necessidade de definir os diferentes esquemas de montagem, de os incluir antecipadamente na respectiva Folha de Ensaio, e de nela registar, em resultado das acções e medidas efectuadas durante o Trabalho de Grupo, os valores das diferentes grandezas, bem como outras notas consideradas importantes. Para além disso, deve-se incluir nessa Folha de Ensaio, a resposta a cada uma das 3 Questões incluídas neste Guia. Relativamente à Folha de Ensaio, será seguida a mesma metodologia; depois de completado o seu preenchimento deverá ser assinada por todos os alunos do Grupo, funcionando assim como elemento de registo de presenças. Posteriormente será entregue uma fotocópia da mesma a cada aluno para que faça o tratamento e análise dos resultados, indispensável para a preparação do exame final. O Trabalho é constituído por duas partes, com duração de cerca de 40 minutos para cada parte: A) Trabalho de Grupo - Ensaios de uma máquina síncrona convencional B) Trabalho de Demonstração - Ensaios de máquinas síncronas especiais A realização destas duas partes será feita de acordo com a seguinte metodologia e distribuição no tempo: Parte A Parte A Parte B (Trabalho de Grupo) (Trabalho de Grupo) (Trabalho de Demonstração) 40 minutos Grupo 1 Grupo 2 Grupos 3 e 4 Banca 1 Banca 2 Banca de Demonstração 40 minutos Grupo 3 Grupo 4 Grupos 5 e 6 Banca 1 Banca 2 Banca de Demonstração 40 minutos Grupo 5 Grupo 6 Grupos 1 e 2 Banca 1 Banca 2 Banca de Demonstração ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 1 de 8

2 A) Ensaios de uma máquina síncrona convencional (Trabalho de Grupo) A. Objectivos do Trabalho Para além de apropriada aparelhagem de regulação e medida, estão disponíveis: - um motor de indução trifásico - uma máquina síncrona convencional trifásica. Constituem objectivos do Trabalho: 1- Verificar a montagem, já realizada 2- Determinar a característica de saturação em vazio da máquina síncrona 3- Determinar a característica de curtocircuito permanente simétrico da máquina síncrona Posteriormente: 4 Fazer o tratamento de resultados e resolver algumas questões de índole teóricoprática. B. Descrição da montagem O sistema é constituído por: rede (bancada); autotransformador trifásico; máquina primária ou de accionamento (motor de indução trifásico de 380 V, 50 Hz, 4 pólos) ; máquina síncrona (funcionando como alternador, com o induzido ligado em Y); rectificador trifásico (alimentado pela rede e fornecendo tensão contínua para excitação da máquina síncrona). Da chapa de características máquina síncrona constam a sseguintes indicações: 6,5 kva; (400 V - 9,4 A); (231 V - 16,2 A); 1500 r/min.; 50 Hz; INS F/H. A aparelhagem de medida a utilizar é: multímetro (para medir a resistência do induzido, a tensão aplicada ao motor e a tensão nos terminais do alternador); amperímetro DC (para medir a corrente de excitação da máquina síncrona); amperímetro AC (para medir a sua corrente de curtocircuito); taquímetro (para medir a velocidade do grupo). C. Procedimentos Para atingir os objectivos descritos, proceda-se de acordo com as recomendações que se seguem. 1- Verificação da montagem e medida da resistência Comece-se por identificar os dois terminais do indutor e os seis terminais do induzido da máquina síncrona trifásica (3 de acesso e 3 curtocircuitados, constituindo o neutro da estrela). Verifique-se a montagem, atendendo ao esboço do seu esquema, elaborado antecipadamente com base em B). Meça-se, com multímetro, a resistência entre todos os pares de terminais do induzido da máquina síncrona. ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 2 de 8

3 Questão 1: Aplicou-se o método do voltímetro amperímetro para determinar a resistência do induzido, a frio e com a temperatura ambiente de 20ºC, tendo-se obtido, para os diferentes pares de terminais, as tensões de 9,03 V, 9,05 V e 9,00 V, com a corrente sempre ajustada para 1,5 A. Que resistência espera então obter em cada medida com o multímetro? Que valor da resistência será aconselhável tomar para o respectivo modelo de Behn-Eschenburg? Registe a sua resposta, com a respectiva justificação, na Folha de Ensaio. 2- Manobra de arranque Com a máquina síncrona sem excitação, proceda-se ao arranque do motor, utilizando o autotransformador trifásico, fixando a tensão final na do valor nominal do motor. Meça-se a velocidade e a tensão nos terminais do alternador (E 0r f.e.m. remanente ou remanescente). 3. Determinação da característica de saturação em vazio Feche-se o circuito indutor, incluindo o respectivo amperímetro, procedendo à sua alimentação a partir do rectificador, tendo este o seu cursor na posição zero. Determinem-se diferentes pontos da característica de saturação em vazio (10-12 pontos), partindo de uma tensão igual a 1,1 U n, com valores da corrente de excitação sempre decrescentes (e sem a preocupação de acertar valores para essa corrente), sendo o último ponto correspondente ao da corrente de excitação nula (que só se consegue cortando a alimentação trifásica do rectificador, já que, com o seu cursor na posição zero a tensão não é exactamente nula); compare-se o valor da f.e.m. com o da f.e.m remanente anteriormente medida. Meça-se a velocidade do grupo, apenas no início e fim do ensaio, no sentido de verificar que o seu valor pouco se afasta da velocidade de sincronismo, dispensando assim a correcção dos valores das f.e.ms medidas. Questão 2: Atendendo ao facto de a máquina síncrona ser ensaiada com o induzido em estrela e às indicações da sua chapa de características, o valor de U n a considerar será 400 V ou 231V? O primeiro ponto a caracterizar corresponderá então a 440 V ou a 254 V? Registe a sua resposta, com a respectiva justificação, na Folha de Ensaio. 4- Determinação da característica de curtocircuito Determinem-se dois pontos da característica de curtocircuito, um deles o mais próximo da corrente nominal, não ultrapassando o valor de 3A para a corrente de excitação. Sendo esta característica linear e passando pela origem, a determinação de dois pontos tem apenas por objectivo confirmar esse facto. Meça-se a velocidade do grupo, também com o objectivo referido em 3-. Questão 3: O valor da corrente nominal que vai considerar é 9,4 A ou 16 A? Registe a sua resposta, com a respectiva justificação, na Folha de Ensaio. ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 3 de 8

4 5- Tratamento de resultados e resolução de questões teórico-práticas Faça-se o tratamento de resultados, sugerindo-se nomeadamente: - o traçado das características de saturação em vazio e de curtocircuto - a determinação da variação da impedância síncrona e da reactância síncrona, em função da corrente de excitação, salientado os seus valores saturado e não saturado - a previsão do valor das perdas Joule nominais, em valor absoluto e percentual, admitindo que as medidas de resistência foram efectuadas à temperatura ambiente de 20 ºC - a previsão do valor do rendimento máximo absoluto da máquina como gerador, à tensão nominal, admitindo que as perdas não Joule valem 5%, e caracterizar a impedância (valor e tipo), suposta em triângulo, que levaria a tal regime de funcionamento. - tomando para a impedância síncrona o seu valor saturado, a previsão do valor da corrente de excitação que levaria a esse regime de carga (rendimento máximo absoluto, com tensão nominal) e verificar se o limite imposto à corrente de excitação (3A) permitiria atingir tal regime de funcionamento. ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 4 de 8

5 Trabalho Laboratorial MSinc. - 1 Ensaios de uma máquina síncrona convencional FOLHA DE ENSAIO Turma: Grupo: Data: / / Assinaturas: 1. Esquema e verificação da montagem Medida de resistência - Resposta à Questão 1: - Esquema da montagem: - Medida de resistência, com multímetro R12= R13= R23= ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 5 de 8

6 2. Manobra de arranque - Registos Tensão aplicada: Velocidade n: E 0r : 3. Característica de saturação em vazio - Registos - Resposta à Questão 2: - Característica (limite imposto à corrente de excitação: 3A) I e (A) 0 E 0c (V) 1,1U n = n (r/min) Notas: 4. Característica de curtocircuito Registos - Resposta à Questão 3: - Característica (limite imposto à corrente de excitação: 3A) Ie (A) Icc (A) I In: n (r/min) Notas: ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 6 de 8

7 C) Ensaios de máquinas síncronas especiais (Demonstração) Introdução Para a presente demonstração laboratorial foi constituído um sistema com duas máquinas síncronas especiais acopladas, estando a designação de especiais ligada ao facto de não serem excitadas por corrente contínua (I e ), como acontece nas máquinas ditas convencionais ; as máquinas de ímanes permanentes são excitadas por ímanes e as máquinas de relutância não têm qualquer excitação, dispensando assim, qualquer delas, o sistema colector de aneis-escovas Registam-se as principais indicações das respectivas chapas de características, na hipótese de funcionarem como motores: Máquina síncrona trifásica de ímanes permanentes - MIP 190 V; 50 Hz; 3 kw; 17 A; 1500 r/min; cosϕ=0,63; Hz; 3,8 V/Hz Máquina síncrona trifásica de relutância (variável) - MR 190 V; 50 Hz; 3,3 kw; 21,4 A; 1500 r/min; cosϕ=0,59; Hz; 3,8 V/Hz Note-se que, para além das indicações habituais, surgem as seguintes: Hz, o que significa que poderão ser utilizados nessa gama de frequências, a que corresponderá uma gama de velocidades entre 600 e 3000 r/min; 3,8 V/Hz (190 V/50 Hz), o que significa que, quando se variar a frequência, se deve variar a tensão na mesma proporção, apara manter o binário. Sugestão: determine o rendimento nominal de cada um dos motores. Demonstração Aproveitando o facto de as máquinas síncronas especiais terem funcionamento reversível, cada uma delas vai ser utilizada ora como motor ora como gerador, em ensaios que a seguir se descrevem. 1. MR (motor) MIP (Gerador) 1.A) Arranque assíncrono e sincronização de MR O binário desenvolvido por qualquer motor síncrono, sendo dependente do ângulo de carga, será pulsatório e de valor médio nulo a velocidades diferentes da velocidade de sincronismo; assim, o motor síncrono não possui binário natural de arranque tornando-se necessário recorrer a processos auxiliares de arranque, sendo o dito arranque assíncrono o que é aqui demonstrado; para tal, o rotor do motor comporta um circuito eléctrico complementar do tipo gaiola (completa ou imcompleta). Ao alimentar o motor (neste caso recorrendo ainda a um autotransformador, para elevar gradualmente a tensão e a fixar no respectivo valor nominal) este arrancará por acção do binário assíncrono; com o aumento de velocidade a frequência de pulsação do binário síncrono diminui e, pode ocorrer a sincronização do motor numa fase de crescimento desse binário, desde que a velocidade seja suficientemente próxima da de sincronismo; o binário síncrono torna-se então constante (com valor dependente do binário resistente) e o binário assíncrono anula-se. ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 7 de 8

8 Durante o arranque também a corrente variará e a detecção do instante em que se dá o sincronismo pode ser feita através da sua observação; quando a corrente estabilizar ocorreu a sincronização, verificando-se que o motor sincroniza com uma tensão ainda inferior ao da sua tensão nominal. Nota: durante o arranque observe-se a variação da tensão nos terminais de MIP. 1. B. Observação do funcionamento do sistema, com MIP como gerador A máquina de ímanes permanentes encontra-se agora à velocidade de sincronismo e está naturalmente excitada; nos seus terminais, em vazio, aparecerá uma tensão U c0 e, designando por E a f.e.m. por fase que comportará o respectivo modelo (circuito equivalente), será E= U c0 / 3. Como a f.e.m. depende não só do fluxo indutor (aqui suposto constante) mas também da velocidade (frequência), o que se verifica durante o arranque do motor (Nota de 1.A) é que essa f.e.m aumenta progressivamente. Ligando aos seus terminais uma carga variável (por exemplo óhmica), procede-se à variação de carga do motor, mas a sua velocidade não se altera (motor síncrono); no entanto, se a carga do motor for excessiva, levando a corrente a valores superiores ao nominal, a dada altura (limite de estabilidade ângulo de carga da ordem de 45º) o motor perde o sincronismo ( o binário síncrono não é suficiente para igualar o binário resistente) o motor passa a um regime assíncrono oscilatório. 2. MIP (motor) MR ( Gerador ) 2.A) Arranque de MIP, com conversor estático O processo de arranque que vai ser demonstrado consiste na alimentação do motor de ímanes permanentes, através de um conversor estático, programado para fornecer tensão e frequência crescentes, numa razão aproximadamente constante. Como o rotor do MIP é também equipado com uma gaiola, poderia fazer-se o seu arranque assíncrono, com tensão variável e frequência constante, como na demonstração anterior. Ao alimentar-se o motor com o conversor, o arranque torna-se mais suave, mas o príncípio é o mesmo (arranque assíncrono, com sucessivas sincronizações a velocidades crescentes). Como complemento, vai também observar-se a inversão do sentido de rotação, por actuação no inversor do conversor electrónico (dessa actuação resulta uma diminuição gradual da tensão e frequência, passando por valores nulos e, de seguida, voltando a aumentar, mas com o sistema de tensões, e do campo girante, com sentido inverso. 2. B. Observação do funcionamento do sistema, com MR como gerador Como a MR não está excitada, a tensão nos seus terminais será teóricamente nula (a constatação da existência de uma pequena tensão dever-se-á ao fenómeno da remanência (ou remanescência ) do seu circuito magnético; a máquina de relutância não pode ser, nestas condições, utilizada como gerador. Para que MR funcionasse como gerador deveria ligar-se à rede (com a sucessão de fases correcta, evitando que a mesma impusesse um sentido de rotação diferente ao sistema) ou, em alternativa, excitá-la através de uma bateria de condensadores; em qualquer das situações, a um aumento da potência da máquina primária (aqui MIP), corresponderia um aumento da potência gerada. ME I(T) Trabalho Laboratorial MSinc.--1 AMS Página 8 de 8